原子级薄的矿物质作为绿色技术的质子传导膜显示出前景

 
曼彻斯特大学的曼彻斯特研究人员发现，原子级薄的云母 – 在土壤中发现的一种常见矿物的名称 – 是极好的质子导体。这种令人惊讶的结果对于在诸如燃料电池和其他氢相关技术的应用中使用2-D材料是重要的。
此前，由Andre Geim教授和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材料对质子，氢原子核具有高度渗透性。然而，他们还发现其他二维材料，如硫化钼(MoS2)，只有三个原子厚，对质子是完全不可渗透的。这些结果表明只有一个原子厚的晶体可以透过质子。
在自然纳米技术中写道，该团队已经证明质子很容易透过几层云母，尽管它们比石墨烯厚10倍。像石墨一样，云母由彼此堆叠的晶体层组成，可以切成单层。该团队分离出其中一层，发现它的质子渗透率是石墨烯的100倍。
乍一看，这个结果似乎是不可能的，因为云母太厚，质子不能渗透 – 它们比质子完全不可渗透的单层MoS2厚得多。然而，云母可以被认为是由管状通道刺穿的水晶板。这些通道不是空的，而是填充有羟基，其类似于水中的质子传导的一维链。质子沿着这些链跳跃，将材料转变为优质的质子导体。
卢卡斯莫格博士该项目的学生和该论文的第一作者说：“我们发现原子级薄云母中的质子传导率比石墨烯高10到100倍。这是令人鼓舞的，因为石墨烯已经被认为是一种有前景的质子传导材料。我们的研究结果表明，云母可能更有前景 – 尤其是因为它们丰富且价格低廉。“
Andre Geim教授说：“结果还暗示许多其他二维材料可以转化为质子导体。我们的策略不仅限于质子或云母。更多的二维晶体具有类似于云母的原子级通道可以探索，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具有高导电性。
Marcelo Lozada-Hidalgo博士说：“缺乏可在100°C和500°C之间可靠运行的质子传导材料。然而，这是燃料电池和其他氢技术优化运行的最佳点温范围。在这个温度范围内，原子级薄的云母工作得相当好 – 从这个角度来看，它们值得关注。“
此外，研究人员表示他们正在研究制造一种足以在工业条件下进行测试的云母原型膜。他们也对这项研究在基础研究方面开放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很大的前景，因为其他晶体可以转化为离子和质子导体。