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Science：二维材料薄膜质子快速传输最新进展

【背景介绍】

纳米流体由于在分子尺度的特殊行为使其在许多领域得到了重要应用。质子交换膜作为燃料电池最核心部分，为质子传输提供快速通道，降低质子传输内阻，直接决定着燃料电池的整体性能。目前，常见质子交换膜材料包括高分子材料，全氟磺酸聚合物（Nafion）；二维材料，氧化石墨烯（GO）及其衍生物；金属有机框架材料（MOF）和生物材料。其中，Nafion是目前最常见的商用材料，在相对湿度（RH）的环境下，其质子传输率性能可达到0.2 S cm-1。但是Nafion存在诸多问题，例如质子传输率性能依然较低；高于80 ºC或者在低相对湿度的环境下容易脱水，造成其质子交换率性能的严重下降。

近几年，除石墨烯以外的氧化石墨烯（GO），过渡金属硫化物(TMDCs)、MXene材料、层状双金属氢氧化物（LDH）、六方氮化硼（h-BN）等二维材料相继被提出和制备，二维材料可分散、易组装等特点推进了其在薄膜研究领域的发展。对于二维材料层状薄膜而言，薄膜纳米通道内的离子官能团可以与水分相互作用，连接成二维氢键网络，可以促进质子的移动，从而实现高质子交换率。以氧化石墨烯薄膜为例，因GO纳米片背面上丰富的含氧官能团，例如环氧（-O-）、羧基（-COOH）和羟基（-OH），可以提供质子，并与水分子相互作用，在两层GO中纳米通道中，形成二维水分子通道，促进质子传输，这些特点和Nafion的特点非常类似，因此，GO薄膜被认为在质子交换膜领域有巨大的潜能。但是，以石墨烯基薄膜为代表的二维材料薄膜质子交换率低，无法远低于商用Nafion质子交换膜；GO薄膜中低含量不均匀的含氧官能团分布导致低表面电荷，离子选择性差。因此，开发制备新型的高性能离子交换膜材料是解决质子传输率低，高温、低湿度环境下容易脱水等问题的重要途径之一。

【成果简介】

【图文解读】

图1. 碱金属离子插层制备剥离制备出Cd0.85PS3Li0.3纳米片，后续酸处理的方法制备出Cd0.85PS3Li0.15H0.15纳米片，并对剥离过程结构、化学成分进行表征

图3. Cd0.85PS3Li0.15H0.15和Cd0.85PS3Li0.3薄膜的质子和锂离子传输性质

（a）在98% RH条件下，Cd0.85PS3Li0.15H0.15薄膜质子交换率和Cd0.85PS3Li0.3薄膜锂离子交换率随温度的变化；

（b）在高湿度（> 90% RH）条件下，Cd0.85PS3Li0.15H0.15薄膜质子交换率和已报道的质子交换膜材料性能对比；

（c）在98% RH条件下，Cd0.85PS3Li0.15H0.15薄膜质子交换率和Cd0.85PS3Li0.3薄膜锂离子交换率的Arrhenius公式；

（d）在98% RH条件下，Cd0.85PS3Li0.15H0.15薄膜在H2O（蓝色）和D2O（红色）环境中的电化学阻抗谱。

图4. 不同湿度下Cd0.85PS3Li0.15H0.15薄膜的质子交换率（(A) 60 ºC, (B) 30 ºC）和薄膜层间距表征

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