10月30日，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心先進炭材料研究部在二維材料物性研究方面取得新進展，相關(guān)研究成果以CdPS₃ nanosheets-based membrane with high proton conductivity enabled by Cd vacancies為題，發(fā)表在Science上。

　　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。目前，Nafion膜是常用的商業(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℃）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，研究發(fā)展出多種質(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。這些膜材料均以官能團（如磷酸基、羧基、羥基等）作為質(zhì)子供體中心，其性能較Nafion膜仍有較大差距。

　　沈陽材料科學(xué)國家研究中心研究員任文才與中科院院士成會明帶領(lǐng)的研究團隊，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，Cd_0.85PS₃Li_0.15H_0.15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，且在低溫、低濕條件下仍保持很高的質(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，研究還發(fā)現(xiàn)Cd_0.85PS₃Li_0.3和Mn_0.77PS₃Li_0.46薄膜具有超快的鋰離子傳導(dǎo)特性，證明空位誘導(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)計與開發(fā)高性能離子傳導(dǎo)膜提供新思路。Science同期發(fā)表Perspective，以Speeding protons with metal vacancies為題對該工作進行介紹。

　　2016級博士生錢希堂為論文第一作者，博士生陳龍、研究員尹利長、副研究員劉志博、項目研究員裴嵩峰、博士生KH Thebo參與該研究。中科院大連化學(xué)物理研究所研究員侯廣進和博士生李帆對材料進行NMR分析，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實驗室教授宋禮、副教授陳雙明對材料進行同步輻射分析。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委杰出青年科學(xué)基金、重大項目，中科院從0到1原始創(chuàng)新項目、戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項，以及國家重點研發(fā)計劃等的資助。

　　論文鏈接 

　　Cd_0.85PS₃Li_0.15H_0.15納米片組裝膜及其離子傳輸性能（98%相對濕度）