Opdagelse af nanoark med den højeste hydroxylion-ledningsevne nogensinde

En NIMS-forskningsgruppe ledet af associeret hovedforsker Renzhi Ma og direktør Takayoshi Sasaki fra International Center for Materials Nanoarchitectonics (MANA) opdagede, at lagdelte dobbelthydroxid (LDH) nanoplader har en usædvanlig høj hydroxylion (OH) ^- ) ledningsevne (så høj som 10 ^-1 S/cm). Dette OH ^- ledningsevnen er 10 til 100 gange højere end den for konventionel OH ^- dirigenter, og er den højeste selv blandt uorganiske anionledere. LDH nanoplader kan være anvendelige som faste elektrolytter til alkaliske brændselsceller og vandelektrolysatorer, blandt andre enheder.

I brændselsceller, som henleder opmærksomheden som en ren energikonverteringsteknologi, hydrogenion (H ⁺ ) ledere (f.eks. Nafion) bruges normalt som elektrolytter. Imidlertid, brugen af ​​H ⁺ ledere kræver praktisk talt brug af platinbaserede katalysatorer, fordi H ⁺ skaber et meget surt driftsmiljø. Det er muligt at ansætte OH ^- i stedet for H ⁺ som den ledende ion. Når OH ^- anvendes, driftsmiljøet er alkalisk, tillader brug af andre billigere overgangsmetalelementer, såsom Fe, Co og Ni, som katalysatorer, reducere produktionsomkostningerne. Det største problem med denne tilgang, imidlertid, er, at ledningsevnen af ​​OH ^- i eksisterende OH ^- ledere er lave (10 ^-3 til 10 ^-2 S/cm). Efterspørgslen har været stor for at udvikle praktiske ledermaterialer med ionisk ledningsevne på omkring 10 ^-1 S/cm, som er sammenlignelig med ledningsevnen af ​​H ⁺ konduktører.

I dette studie, forskergruppen eksfolierede LDH'er i enkeltlag i kemiske reaktioner, og målte den ioniske ledningsevne af de resulterende enkeltlags nanoark. Nanoarkene viste meget høje ledningsevner, op til 10 ^-1 S/cm, ved cirka stuetemperatur. Den høje ledningsevne kan forklares som følger. En stor mængde fugt adsorberes på overfladen af ​​enkeltlags nanoark, fremme OH ^- at bevæge sig frit på overfladen, derved dramatisk forbedre nanopladernes iontransportegenskaber. Den opnåede ledningsevne i denne undersøgelse er højere end den for nogen anden OH ^- dirigent rapporteret tidligere. Ud over, ledningsevnen i en retning parallel med nanopladens overflade (i-plan retning) var fire til fem størrelsesordener højere end ledningsevnen i en retning vinkelret på overfladen (tvær-plan retning). Derfor, den observerede høje ledningsevne kan tilskrives den ultimative todimensionelle nanostruktur af pladerne.

Denne undersøgelses resultater kan tjene som et stort skridt mod realiseringen af ​​faste brændselsceller drevet af OH ^- , som har været forudset i mange år. For at anvende den overlegne ioniske ledningsevne i planet identificeret i denne undersøgelse på faste elektrolytlag til brændselsceller og vandelektrolysatorer, det vil være afgørende at designe enhedsstrukturer, der er i stand til fuldt ud at udnytte nævnte ledningsevne.

En del af denne undersøgelse blev udført i forbindelse med et projekt med titlen "Funktionsjustering ved hjælp af morfologi og strukturkontrol af lavdimensionelle hydroxidnanostrukturer, " finansieret af MEXT Grants-in-Aid for Scientific Research (B).