Lerplader stables for at danne protonledere

Northwestern Engineering professor Jiaxing Huang har udviklet en billigere, mere stabilt protonledende system. For at finde nøgleingrediensen, han måtte ikke lede længere end til sin egen baghave.

"Vi brugte et ler, som du kan købe i en havebutik, " sagde Huang, lektor i materialevidenskab og teknik ved Northwestern University's McCormick School of Engineering. "Jeg kan godt lide at kalde det et 'jordnært' materiale."

Når en proton transporteres, den genererer en elektrisk strøm, der spiller en nøglerolle i både natur og teknologi. Ingeniører er særligt interesserede i at udnytte protonledning til katalyse, elektrokemiske sensorer og reaktorer, og høste energi. I brændselsceller, for eksempel, en proton skal transporteres hen over en membran for at nå en katode, fuldende omdannelsen af ​​kemisk energi til elektricitet.

I celler, protoner kan transporteres gennem nanoporer dannet af membranproteiner. Ingeniører har forsøgt at efterligne dette ved at skabe kunstige proton nanokanaler. I de sidste 20 år, de har brugt nanolitografi til at skabe nanokanaler i silicium, glas, og andre materialer til forbedring af ionisk transport og ledningsevne. Disse nanokanaler resulterer i højere ledningsevne, men der er to store problemer:nanolitografi er kompleks og dyr, og det endelige materiale er svært at fremstille i stor skala.

"Mange typer nanokanaler er blevet demonstreret på et substrat, " sagde Huang. "Men det har været svært at producere dem i store mængder, sige, et substrat fyldt med nanokanaler. "

Huangs nye løsning udnytter lerets naturlige egenskaber. Når todimensionelle plader af leret, kaldet vermiculit, eksfolieres i vand, de bærer negative ladninger, tiltrække positivt ladede protoner. Efter at pladerne er tørre, de samler sig selv til papirlignende film. Den næsten 1 nanometer afstand mellem lagene tjener som nanokanalerne, der kan koncentrere protoner til ledning.

Støttet af Office of Naval Research og Northwesterns Materials Research Science and Engineering Center, Huangs forskning er beskrevet i et papir offentliggjort den 13. juli i Naturkommunikation . Andre forfattere af papiret inkluderer tidligere besøgende studerende Jiao-Jing Shao, tidligere postdoktor Kalyan Raidonga, og kandidatstuderende Andrew Koltonow. Shao og Raidongo har afsluttet deres uddannelse på Northwestern og er nu professorer i Kina og Indien, henholdsvis.

Sammenlignet med grafenbaserede ark og andre todimensionelle materialer, lerlag har betydelige fordele til at konstruere ionledende anordninger og materialer. Ler er let tilgængeligt og kan eksfolieres i vand ved ionbytning, som er meget mere godartet end den kemiske eksfoliering, der er nødvendig for grafen og andre materialer. Det har også ekstraordinær kemisk og termisk stabilitet, stand til at modstå temperaturer højere end 500 grader Celsius.

"Ler har ekstraordinær termisk stabilitet, "Huang sagde." Vi ønsker at skabe et protonledende system, der kan holde meget høje temperaturer, fordi nogle af de bedste protonledende materialer derude ikke kan gøre det. "

Enkelheden af ​​de materialebehandlingsteknikker, der kræves for at producere sådanne 2-D nanokanaler, gør det nemt at skalere op. Derfor, i stedet for at resultere i et lille antal kanaler, over 30 procent af mængden af ​​Huangs lermembran er lavet af protonledende nanokanaler.

Huang kalder sin lermembran et nyt eksempel på "bulk nanostrukturerede materialer, " som refererer til en makroskopisk form for materialer med strukturelle enheder på nanometerskala. Bulk nanostrukturmaterialer er af stor interesse, dels fordi de har nye egenskaber, der er uholdbare for deres nanostrukturerede enheder.

I dette tilfælde, de enkelte lerplader har ikke protonledende egenskaber. De skal samles ansigt til ansigt for at generere den endelige masseform af materiale, hvor alle arkene tilsammen understøtter de protonledende egenskaber.

"Vi studerer nanomaterialer ud over den individuelle nanostrukturerede enhed, " sagde han. "Dette er et bulkmateriale, der let kan ses, manipuleret, og brugt. "