Atomisk tynde mineraler viser lovende som protonledende membraner til grønne teknologier

Forskere ved University of Manchester opdagede, at atomisk tynde glimmer - navnet givet til en type almindeligt mineral, der findes i jord - er fremragende protonledere. Dette overraskende resultat er vigtigt for brugen af ​​2-D materialer i applikationer som brændselsceller og andre brint-relaterede teknologier.

Tidligere, Manchester-forskerne ledet af professor Andre Geim og Dr. Marcelo Lozada-Hidalgo fandt ud af, at et-atoms tykke materialer som grafen er meget permeable for protoner, kerner af brintatomer. Imidlertid, de fandt også ud af, at andre 2-D-materialer, såsom molybdensulfid (MoS2), der kun var tre atomer tykke, var fuldstændig uigennemtrængelige for protoner. Disse resultater antydede, at kun ét-atom tykke krystaller kunne være permeable for protoner.

Skriver ind Natur nanoteknologi , teamet har vist, at protoner let kan trænge igennem micas med få lag på trods af at de er 10 gange tykkere end grafen. Micas, som grafit, består af krystallag stablet oven på hinanden og kan skæres ned til et enkelt lag. Holdet isolerede et af disse lag og fandt ud af, at det var 100 gange mere gennemtrængeligt for protoner end grafen.

Ved første øjekast, dette resultat synes umuligt, fordi glimmer er for tykt til, at protoner kan trænge igennem - de er meget tykkere end monolag MoS ₂ der er fuldstændig uigennemtrængelig for protoner. Imidlertid, glimmer kan opfattes som krystalplader gennemboret af rørformede kanaler. Disse kanaler er ikke tomme, men fyldt med hydroxylgrupper, der er som de protonledende endimensionelle kæder i vand. Protoner hopper langs disse kæder, gør materialet til en fremragende protonleder.

Lucas Mogg, en ph.d. studerende på projektet og den første forfatter til papiret sagde:"Vi fandt ud af, at protonledningsevnen i atomisk tynde glimmer er 10 til 100 gange højere end i grafen. Det er opmuntrende, fordi grafen allerede betragtes som et lovende protonledende materiale. Vores resultater viser, at glimmer kunne være endnu mere lovende - ikke mindst fordi de er rigelige og billige."

Professor Andre Geim sagde:"Resultatet indebærer også, at mange andre 2-D-materialer kan omdannes til protonledere. Vores strategi er ikke begrænset til protoner eller glimmer. Mange flere 2-D-krystaller med kanaler i atomskala, der ligner dem i glimmer. kunne udforskes, forhåbentlig bringer uventede fænomener og nye anvendelser inden for proton- og ionledere."

Forskerne fandt også ud af, at glimmer bliver særligt stærkt ledende i et temperaturområde, der har været notorisk utilgængeligt for de relaterede teknologier.

Dr. Marcelo Lozada-Hidalgo sagde:"Der er mangel på protonledende materialer, der pålideligt kan fungere mellem 100°C og 500°C. Men, dette er sweet spot-temperaturområdet for optimal drift af brændselsceller og andre brintteknologier. Atomisk tynde glimmer fungerer ret godt i dette temperaturområde - de fortjener opmærksomhed fra dette perspektiv."

Desuden, forskerne siger, at de nu arbejder på at bygge en glimmerprototypemembran, der er stor nok til at blive testet under industrielle forhold. De er også optimistiske med hensyn til mulighederne for denne forskning med hensyn til grundforskning. Arbejdet viser, at feltet med todimensionale ioniske ledere har et stort løfte på grund af den rigdom af andre krystaller, der kan omdannes til ioniske og protonledere.

Artiklen Atomically-thin-micas som protonledende membraner vil blive offentliggjort på Natur nanoteknologi .