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2019-09-05
曼彻斯特大学的研究人员发现，原子厚度的云母是优良的质子导体。云母是土壤中一种常见矿物的名字。这一惊人的结果对于二维材料在燃料电池和其他氢相关技术中的应用非常重要。
此前，由安德烈·海姆(Andre Geim)教授和马塞洛·洛扎达-伊达尔戈(Marcelo lozada - hidalgo)博士领导的曼彻斯特大学研究人员发现，石墨烯等单原子厚度的材料对质子、氢原子核具有很高的渗透性。然而，他们也发现其他二维材料，如硫化钼(MoS2)，只有三个原子厚，对质子是完全不渗透的。这些结果表明只有单原子厚度的晶体才能渗透质子。
研究小组在《自然-纳米技术》杂志上撰文指出，尽管云母层厚度是石墨烯的10倍，但质子可以很容易地穿过几层云母层。云母和石墨一样，是由相互堆叠的晶体层组成，可以被切割。研究小组分离出其中一层，发现它对质子的渗透性是石墨烯的100倍。
乍一看，这个结果似乎是不可能的，因为云母太厚，质子无法渗透——它们比完全不能渗透质子的单层二氧化硅厚得多。然而，云母可以被认为是由管状通道穿透的晶体板。这些通道不是空的，而是充满了羟基，就像质子在水中的一维传导链。质子沿着这些链跳跃，把这种材料变成一种优秀的质子导体。
该项目博士生、论文第一作者卢卡斯•莫格(Lucas Mogg)表示：“我们发现，原子级厚度云母的质子电导率比石墨烯高10至100倍。这是令人鼓舞的，因为石墨烯已经被认为是一种很有前途的质子导电材料。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而廉价。”安德烈·海姆教授说：“这一结果还意味着，许多其他二维材料也可以转化为质子导体。我们的策略并不局限于质子或云母。更多的具有原子尺度通道的二维晶体可以被用来研究，有望在质子和离子导体领域带来意想不到的发现和新的应用。”
研究人员还发现，云母在一个众所周知的相关技术无法达到的温度范围内具有极高的导电性。
马塞洛·洛扎达-伊达尔戈博士说：“目前缺乏能在100到500摄氏度之间可靠工作的质子导电材料。然而，这是燃料电池和其他氢技术运行的最佳温度范围。原子级厚度的云母在这个温度范围内工作的相当好——从这个角度来看，它们值得关注。”
此外，研究人员表示，他们目前正在研制一种云母原型膜，这种膜足够大，可以在工业条件下进行测试。他们也对这项研究在基础研究方面打开的可能性持乐观态度。研究结果表明，二维离子导体具有广阔的应用前景，因为二维离子导体中含有大量可转化为离子导体和质子导体的晶体。
（原文来自：曼彻斯特大学 中国新能源网综合）
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