2023年10月30日，國際學(xué)術(shù)期刊《Science》在線發(fā)表了我所沈陽材料科學(xué)國家研究中心先進(jìn)炭材料研究部在二維材料物性研究方面的最新進(jìn)展“CdPS3 nanosheets-based membrane with high protonconductivity enabled by Cd vacancies”。
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(jìn)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(tuán)（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。
最近，沈陽材料科學(xué)國家研究中心任文才、成會明團(tuán)隊(duì)制備出一類由二維過渡金屬磷硫化物（MPX3，其中M = Cd、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Cr等，X = S 或 Se）納米片組裝而成的膜，發(fā)現(xiàn)過渡金屬空位使該類薄膜具有超快的離子傳輸性能。例如，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(bào)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(jìn)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。
空位誘導(dǎo)離子快速傳輸為設(shè)計(jì)與開發(fā)高性能離子傳導(dǎo)膜提供了一種新思路。《Science》同期發(fā)表了Perspective，以“Speeding protons with metal vacancies”為題對該工作進(jìn)行了介紹。
2016級博士生錢希堂為論文第一作者，博士生陳龍、尹利長研究員、劉志博副研究員、裴嵩峰項(xiàng)目研究員、博士生KH Thebo參與了該研究。中科院大連化學(xué)物理研究所的侯廣進(jìn)研究員和博士生李帆對材料進(jìn)行了NMR分析，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室的宋禮教授和陳雙明副教授對材料進(jìn)行了同步輻射分析。
該工作得到了國家自然科學(xué)基金委杰出青年科學(xué)基金、重大項(xiàng)目、中國科學(xué)院從0到1原始創(chuàng)新項(xiàng)目、先導(dǎo)項(xiàng)目以及國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等的資助。
Cd0.85PS3Li0.15H0.15納米片組裝膜及其離子傳輸性能（98%相對濕度）
來源：中科院金屬所
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