原子稀薄的矿物显示出作为绿色技术的质子传导膜的承诺

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曼彻斯特大学的研究人员发现,原子薄的云母(一种在土壤中发现的常见矿物的名称)是优质的质子导体。对于在燃料电池和其他氢相关技术等应用中使用2D材料而言,这一令人惊讶的结果非常重要。此前,由安德烈·吉姆(Andre Geim)教授和马塞洛·洛萨达·伊达尔戈(Marcelo Lozada-Hidalgo)博士领导的曼彻斯特研究人员发现,像石墨烯这样的单原子厚的材料对氢原子的质子和质子具有高渗透性。但是,他们还发现,只有3个原子厚的其他2D材料(例如,硫化钼(MoS 2))完全不能透过质子。这些结果表明,只有一个原子厚的晶体才能渗透质子。

研究小组在《自然纳米技术》中写道,尽管质子的厚度比石墨烯厚10倍,但它们仍然可以轻易地渗透到几层云母中。云母像石墨一样,由彼此堆叠的晶体层组成,可以切成单层。研究小组隔离了其中一层,发现质子的渗透性是石墨烯的100倍。乍一看,这个结果似乎是不可能的,因为云母太厚,质子无法渗透–它们比质子完全不可渗透的单层MoS 2厚得多。然而,云母可以被认为是被管状通道刺穿的水晶板。这些通道不是空的,而是充满了羟基,就像水中的质子传导一维链一样。质子沿着这些链跳跃,从而将材料转变成优质的质子导体。

该项目的博士研究生,论文的第一作者卢卡斯·莫格(Lucas Mogg)说:“我们发现原子薄云母中的质子电导率是石墨烯中的10至100倍。令人鼓舞的是,石墨烯已经被认为是有前途的质子传导材料。我们的结果表明,云母可能更具前景-尤其是因为它们既丰富又便宜。

安德烈·吉姆(Andre Geim)教授说:“结果还意味着,许多其他2D材料也可以转化为质子导体。我们的策略不仅限于质子或云母。可以探索更多具有类似于云母的原子尺度通道的2D晶体,希望在质子和离子导体领域带来意想不到的现象和新的应用。”

研究人员还发现,云母在相关技术众所周知的温度范围内变得特别导电。

Marcelo Lozada-Hidalgo博士说:“缺乏能在100°C至500°C的温度下可靠运行的质子传导材料。但是,这是燃料电池和其他氢技术最佳运行的最佳温度范围。原子薄的云母在此温度范围内效果很好-从这个角度来看,它们值得关注。”

此外,研究人员说,他们现在正在努力制造一种云母原型膜,该膜足够大,可以在工业条件下进行测试。他们还对这项研究在基础研究方面的可能性持乐观态度。这项工作表明,二维离子导体领域具有广阔的前景,这是由于其他大量晶体可以转化为离子和质子导体。

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