近日，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心任文才、成會明團隊制備出一類由二維過渡金屬磷硫化物納米片組裝而成的膜，發(fā)現(xiàn)其過渡金屬空位使該類薄膜具有超快的離子傳輸性能。10月30日，國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》(SCIENCE)以 “Cd空位誘導(dǎo)的高質(zhì)子傳導(dǎo)率的CdPS3納米片薄膜”為題發(fā)表相關(guān)成果。
納米孔道中的離子傳輸對能量存儲和轉(zhuǎn)換應(yīng)用至關(guān)重要，如質(zhì)子和鋰離子傳導(dǎo)膜分別是燃料電池和鋰離子電池的關(guān)鍵材料。杜邦公司生產(chǎn)的Nafion膜是目前最常用的商業(yè)質(zhì)子傳導(dǎo)膜，它以磺酸基為質(zhì)子供體中心，質(zhì)子通過在納米孔道中形成的水分子網(wǎng)絡(luò)來進行傳導(dǎo)，質(zhì)子傳導(dǎo)率可達(dá)0.2 S/cm。然而，在高溫(>80 ºC)和/或低濕條件下，由于含水量的降低，其性能會發(fā)生嚴(yán)重衰減。近年來，人們又發(fā)展了多種質(zhì)子傳導(dǎo)膜，包括基于MOF、生物材料和氧化石墨烯的膜材料。這些膜材料也均以官能團(如磷酸基、羧基、羥基等)作為質(zhì)子供體中心，但其性能較Nafion膜仍有很大差距。
研究人員發(fā)現(xiàn)，Cd0.85PS3Li0.15H0.15薄膜為質(zhì)子傳輸占主導(dǎo)的離子導(dǎo)體，在90℃和98%相對濕度條件下的傳導(dǎo)率高達(dá)0.95 S/cm，是目前已報道的水相質(zhì)子傳輸材料的性能最高值，并且在低溫、低濕條件下仍保持了很高的質(zhì)子傳導(dǎo)率。進一步研究發(fā)現(xiàn)， Cd空位不僅提供了大量的質(zhì)子供體中心，而且使該薄膜具有優(yōu)異的水合性質(zhì)，且質(zhì)子在水分子的存在下易于從空位處脫附，從而使薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的質(zhì)子傳導(dǎo)特性。此外，他們還發(fā)現(xiàn)Cd0.85PS3Li0.3和Mn0.77PS3Li0.46薄膜具有超快的鋰離子傳導(dǎo)特性，證明了空位誘導(dǎo)離子快速傳輸?shù)钠者m性，這為設(shè)計與開發(fā)高性能離子傳導(dǎo)膜提供了一種新思路。(記者 郝曉明)
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