В топливных элементах, которые привлекают внимание как экологически чистая технология преобразования энергии, проводники ионов водорода (H +) (e.грамм., Нафион®) обычно используются в качестве электролитов. Однако использование проводников H + фактически требует использования катализаторов на основе платины, поскольку H + создает очень кислую рабочую среду.
Возможно использовать OH- вместо H + в качестве проводящего иона. Когда используется ОН-, рабочая среда является щелочной, что позволяет использовать другие более дешевые элементы переходных металлов, такие как Fe, Co и Ni, в качестве катализаторов, что снижает производственные затраты. Однако основная проблема этого подхода заключается в том, что проводимость ОН- в существующих ОН-проводниках низкая (от 10-3 до 10-2 См / см).
Была высока потребность в разработке практических проводниковых материалов с ионной проводимостью около 10-1 См / см, что сравнимо с проводимостью проводников H +.
В этом исследовании группа исследователей расслаивала СДГ на отдельные слои в химических реакциях и измеряла ионную проводимость полученных однослойных нанолистов. Нанолисты продемонстрировали очень высокую проводимость, до 10-1 См / см, примерно при комнатной температуре. Высокая проводимость может быть объяснена следующим образом.
Большое количество влаги адсорбируется на поверхности однослойных нанолистов, способствуя свободному перемещению OH- по поверхности, тем самым значительно улучшая свойства переноса ионов нанолистов. Проводимость, достигнутая в этом исследовании, выше, чем у любого другого OH-проводника, о котором сообщалось ранее. Кроме того, проводимость в направлении, параллельном поверхности нанолиста (направление в плоскости), была на четыре-пять порядков выше, чем проводимость в направлении, перпендикулярном поверхности (направление в плоскости).
Следовательно, наблюдаемая высокая проводимость может быть связана с конечной двумерной наноструктурой листов.
Результаты этого исследования могут послужить важным шагом на пути к реализации твердотопливных элементов, работающих на ОН-, которые ожидались в течение многих лет.
Чтобы применить превосходную ионную проводимость в плоскости, выявленную в этом исследовании, к слоям твердого электролита для топливных элементов и водных электролизеров, будет жизненно важно разработать конструкции устройства, способные полностью использовать указанную проводимость.
Часть этого исследования была проведена в связи с проектом под названием «Настройка функций с помощью морфологии и контроля структуры низкоразмерных гидроксидных наноструктур», финансируемого MEXT Grants-in-Aid для научных исследований (B).
Это исследование было опубликовано в журнале Science Advances.