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三個月2篇Science，中科院金屬所任文才/成會明等人取得新進展！

納米人 2020-11-03

質子交換膜(Proton Exchange Membrane，PEM)是質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）的核心部件，對電池性能起著關鍵作用。它不僅具有阻隔作用，還具有傳導質子的作用。防止滲透引起的直接化學反應。

在潮濕條件下，質子在納米通道中的輸運對于能量儲存和轉換的應用至關重要。各種材料-包括聚合物，如Nafion(杜邦公司)，金屬有機骨架(MOF)，生物衍生材料，以及二維(2D)材料已被開發用于質子交換膜。其中，質子交換膜的基準Nafion在高相對濕度(RH)下具有高達0.2 S cm^?1的質子電導率。

然而，Nafion在高溫(>80 °C)或低相對濕度下很容易脫水，導致電導率和效率嚴重下降。對于2D材料組裝的膜，納米通道內部產生的大的毛細管狀力(>50bar)可以很好地幫助離子的傳輸。因此，研究人員一直致力于尋找基于不同材料的質子交換膜，然而，目前所報道的膜普遍表現出較低的離子電導率（小于0.02 S cm^?1）。

今日，中科院金屬所、沈陽材料科學國家研究中心任文才、成會明團隊報道了一類由二維過渡金屬三鹵化磷(transition-metal phosphorus trichalcogenides,TMPTC）（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，其包含的過渡金屬空位使其具有極高的離子導電性。這種Cd0.85PS3Li0.15H0.15膜在90℃和98% 的相對濕度下，質子電導率達到了0.95 S/cm，即使在60%的相對濕度下，電導率仍保持在0.26 S/cm。是目前已報道的水相質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子傳導率。該研究以“CdPS3 nanosheets-based membrane with high proton conductivity enabled by Cd vacancies”為題發表在最新一期的Science上。

該TMPTC材料是一種層狀范德瓦爾茲材料，包含不同的金屬M（Cd,Mn,Fe,Co,Ni以及Zn）以及硫屬化物X（S或Se）。尤其是在MnPS3和CdPS3中，M-S鍵在溫和的水相溶劑中，能夠通過插層過程去除M2+來產生空位。M2+能夠很容易的被溶液中其他堿離子（Li+,Na+,K+）或是質子（H+）取代，維持電荷平衡。

層狀材料中的離子交換

研究人員首先通過K離子插層交換獲得含Cd空位的Cd_0.85PS₃K_0.3，并進行Li離子插層交換，接著剝離，以獲得Cd_0.85PS₃Li_0.3納米片。而后將Cd_0.85PS₃Li_0.3納米片完全浸泡在HCl溶液中來合成Cd_0.85PS₃Li_0.15H_0.15納米片。最后通過真空過濾從分散體中制備了獨立的Cd_0.85PS₃Li_0.3和Cd_0.85PS₃Li_0.15H_0.15膜。橫截面掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示，兩種膜均具有良好的層狀結構。

插層-交換過程保證了整個結構的完整的化學轉換，且不受主體晶格內部的離子擴散限制。與原始的CdPS₃相比，Cd_0.85PS₃Li_0.15H_0.15和Cd_0.85PS₃Li_0.3除了每個元素的價態之外，結構特征也不同。材料中的Cd空位為移動的H⁺或是Li⁺充當了供體中心，從而大大提高了離子電導率。