任文才、成会明Science：发现空位诱导的二维材料薄膜超快离子传输

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10月30日，国际学术期刊《Science》在线发表了我所沈阳材料科学国家研究中心先进炭材料研究部在二维材料物性研究方面的最新进展“CdPS3 nanosheets-based membrane with high proton conductivity enabled by Cd vacancies”。
　　纳米孔道中的离子传输对能量存储和转换应用至关重要，如质子和锂离子传导膜分别是燃料电池和锂离子电池的关键材料。杜邦公司生产的Nafion膜是目前最常用的商业质子传导膜，它以磺酸基为质子供体中心，质子通过在纳米孔道中形成的水分子网络来进行传导，质子传导率可达0.2 S/cm。然而，在高温（>80 oC）和/或低湿条件下，由于含水量的降低，其性能会发生严重衰减。近年来，人们又发展了多种质子传导膜，包括基于MOF、生物材料和氧化石墨烯的膜材料。这些膜材料也均以官能团（如磷酸基、羧基、羟基等）作为质子供体中心，但其性能较Nafion膜仍有很大差距。

Cd0.85PS3Li0.15H0.15纳米片组装膜及其离子传输性能（98%相对湿度）

　　最近，沈阳材料科学国家研究中心任文才、成会明团队制备出一类由二维过渡金属磷硫化物（MPX3，其中M = Cd、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Cr等，X = S 或 Se）纳米片组装而成的膜，发现过渡金属空位使该类薄膜具有超快的离子传输性能。例如，Cd0.85PS3Li0.15H0.15薄膜为质子传输占主导的离子导体，在90℃和98%相对湿度条件下的传导率高达0.95 S/cm，是目前已报道的水相质子传输材料的性能最高值，并且在低温、低湿条件下仍保持了很高的质子传导率。进一步研究发现， Cd空位不仅提供了大量的质子供体中心，而且使该薄膜具有优异的水合性质，且质子在水分子的存在下易于从空位处脱附，从而使薄膜表现出优异的质子传导特性。此外，他们还发现Cd0.85PS3Li0.3和Mn0.77PS3Li0.46薄膜具有超快的锂离子传导特性，证明了空位诱导离子快速传输的普适性。
　　空位诱导离子快速传输为设计与开发高性能离子传导膜提供了一种新思路。《Science》同期发表了Perspective，以“Speeding protons with metal vacancies”为题对该工作进行了介绍。
　　2016级博士生钱希堂为论文第一作者，博士生陈龙、尹利长研究员、刘志博副研究员、裴嵩峰项目研究员、博士生KH Thebo参与了该研究。中科院大连化学物理研究所的侯广进研究员和博士生李帆对材料进行了NMR分析，中国科学技术大学国家同步辐射实验室的宋礼教授和陈双明副教授对材料进行了同步辐射分析。
　　该工作得到了国家自然科学基金委杰出青年科学基金、重大项目、中国科学院从0到1原始创新项目、先导项目以及国家重点研发计划等的资助。
　　论文链接：


       文章来源：金属所
       任文才，中国科学院金属研究所研究员，国家杰出青年科学基金获得者。主要从事石墨烯等二维晶体材料研究。迄今在Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Communications、PNAS、Advanced Materials、JACS等期刊发表SCI论文80多篇，被SCI引用10,000多次；申请国家发明专利和PCT专利40余项，其中获授权20余项（含3项国际专利），1项已实施。他曾获中国青年科技奖、中国科学院青年科学家奖、辽宁省自然科学一等奖、国家自然科学二等奖等，并入选了科技部创新人才推进计划“中青年科技创新领军人才”。
       成会明，炭材料科学家。中国科学院金属研究所研究员。1963年10月生于四川省巴中市，籍贯四川省蓬安县。1984年毕业于湖南大学化工系，1987年、1992年在中科院金属研究所获硕士和博士学位。主要从事先进炭材料的研究。提出了浮动催化剂化学气相沉积、非金属催化剂化学气相沉积制备碳纳米管等方法，促进了碳纳米管的研究与应用。提出了模板导向化学气相沉积等方法，制备出石墨烯三维网络结构材料、毫米级单晶石墨烯，发展了石墨烯材料的宏量制备技术。提出了可高效储能的层次孔材料设计和电化学电位调控的思路，制备出一系列新型能量转化与储存材料。研制出块体各向同性热解石墨材料，批量应用于多项重点工程。曾获国家自然科学二等奖、国防科技进步二等奖、何梁何利科学与技术进步奖、美国碳学会Charles E. Pettinos奖等。