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天津大学化工学院张生教授发表两篇Nature系列文章报道二维质子传导膜

      2019-09-29       

本站讯(通讯员 李莎)质子传导膜是现代燃料电池、电解水、CO2电化学还原等技术的核心部件之一,其功能是隔离阴阳两极上反应物或产物,同时通过构筑离子通道实现质子的有效传导,因此在很大程度上影响这些电化学技术的能量转化效率、产物分离能力等重要性能指标。目前最具代表性质子传导膜的是杜邦公司的Nafion膜,厚度可低至25微米。

在之前的超薄二维质子传导膜的研究基础之上(Nat.Nanotech. 2018, 13, 300; Nat. Commun.2017,15215),天津大学化工学院张生教授与英国曼彻斯特大学诺贝尔物理奖得主安德烈·海姆教授等人,以及来自清华-伯克利深圳学院、大连理工大学、比利时安特卫普大学的研究人员合作,于9月2日与9月18日,分别以共同第一作者、共同通讯作者在Nature NanotechnologyNature Communications发表两篇研究论文,报道了单原子二维质子传导膜领域的最新基础与应用研究进展,展示了在上述洁净能源电化学技术中的良好应用前景,天津大学为署名单位。

2014年,海姆教授等人(Nature, 2014, 516, 227)首次证实了石墨烯以及氮化硼等具有单原子层厚度(约0.3 nm)的二维材料可作为良好的“质子传导膜”,揭示了对氢同位素的良好分离效果(Science, 2015, 351, 68; Nat. Commun. 2017, 15215),进一步研究发现了光致增强质子传输效应(“photo-proton effect” Nat. Nanotech. 2018, 13, 300)。张生教授与合作者在最新的研究中发现上述二维材料是完美质子选择性(perfect proton selectivity)传导膜。如下图所示,首先制备微米级单层氮化硼薄膜,两侧分别放置不同浓度的HCl溶液,从而得到膜电势与HCl浓度梯度之间的关系,进一步通过能斯特-普朗克公式得到质子迁移数(transport number)为1,也就是说通过氮化硼薄膜的全部电流完全是由质子传导所致。这证实了完美单原子二维膜对质子传导的选择性为100%。

然而,质子在单层石墨烯中的传输能垒高达0.8 eV(80 kJ/mol),即使在单层氮化硼薄膜中的传输能垒也需要0.3 eV以上,远高于在Nafion膜的0.02 eV的能垒,因此质子传导率较低。为此,张生教授与合作者将云母薄膜层间的天然存在的钾离子与质子进行交换,发现云母变成优良的质子导体,其面电导率超过石墨烯和氮化硼的电导率一到两个数量级。原因在于离子交换处理后云母薄膜内构建了0.5nm的管状通道,填充着大量的羟基,质子沿着这些链跳跃,将材料转变为优良的质子传输导体。特别是其高温质子传导性能,从~100℃延伸到500℃,质子交换后云母薄膜的质子传输面导电率在500℃时可达到100 S cm-2以上,超过了美国能源部对高温质子膜燃料电池中质子传导率的要求。云母矿丰富的储量以及低廉的价格,将会促进高温质子交换膜燃料电池的发展。

作者简介:张生教授,2018年加入天津大学,任化工学院长聘教授,入选国家级海外高层次人才计划。回国前就职于英国曼彻斯特大学任欧盟玛丽居里研究员,合作导师是石墨烯之父AndreGeim教授(2010年诺贝尔物理奖得主)。曾在美国北卡大学教堂山分校、凯斯西储大学进行博士后研究,分别师从著名物理化学家、美国科学院院士Thomas J. Meyer教授和碳材料专家戴黎明教授。本硕博就读于哈尔滨工业大学。长期致力于能源电化学与化工领域,研究涉及化工、材料、化学、物理等学科,具体研究方向包括二氧化碳电化学转化系统与过程强化;质子传导膜构建与洁净能源器件;先进催化剂设计与可控合成,目前已在Nature Nano. (2)、Nature Comm. (2)、PNAS、JACS (3)、Angew. Chem. (2)等著名学术期刊发表SCI论文40余篇,国内外相关学者在Nature、Science杂志上总引用6,000余次,单篇最高引用800多次,其中8篇论文单篇引用超过300次,H因子为30,ESI高被引论文9篇,同时拥有授权/申请专利共5项。曾获得黑龙江省科学技术一等奖、中国百篇最具国际影响学术论文等荣誉。

(编辑 赵习钧 王正言)