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中南大学刘小鹤团队在水滑石类层状矿物材料研究领域取得重要进展

来源:材料科学与工程学院 点击次数:次 发布时间:2019年07月17日 作者:蔡圳阳

本网讯 近日,中南大学刘小鹤研究团队与日本国立物质·材料研究机构(National Institute for Materials Science, NIMS)Renzhi Ma教授合作,在RSC旗下材料领域的旗舰期刊《Materials Horizons》(IF= 14。356)上发表了题为“Superionic conduction along ordered hydroxyl networks in molecular-thin nanosheets”的研究论文(2019, DOI: 10。1039/C9MH00549H),揭示了水滑石类二维材料中氢氧根离子的传导机理。博士生陈发绅为共同第一作者,刘小鹤教授和Renzhi Ma教授为共同通讯作者。

水滑石类层状氢氧化物(LDHs)是典型的阴离子型层状矿物材料,由带正电荷的主体板层和层间客体阴离子组成,具有独特的层状结构和层间化学反应特性。LDHs的层间阴离子可被交换而不破坏层板的基本结构。通过软化学剥离反应,可创建具有多种功能的单层氢氧化物纳米片。单层的氢氧化物纳米片厚度约1 nm,全部由表面原子构成,具有分子水平的二维尺度。基于二维主体板层表面共价键合大量羟基官能团,LDHs在碱性燃料电池的氢氧离子固体电解质交换膜方面具有巨大的应用潜力。

论文首次对单层水滑石类Mg-Al LDH纳米片进行了直接测量,发现氢氧根离子沿二维有序羟基网络的迁移率/扩散率可达到与质子传导能力相当的水平。在接近室温的条件下,单层Mg-Al LDH纳米片的氢氧根离子传导率在10-1 S/cm以上,是目前报道的阴离子导体中传导率最高的材料,可与商用Nafion质子交换膜的质子传导率相比拟。此外,通过对重叠Mg-Al LDH纳米片进行直接测量,发现氢氧根离子沿纳米片表面比沿纳米片层间通道的传导速度快1个数量级。该论文揭示了水滑石类层状矿物材料具有优异的氢氧离子传导性能。氢氧离子传导体系可用廉价过渡金属取代贵金属催化剂,摆脱燃料电池对贵金属催化剂的依赖,该工作有望解决制约我国碱性燃料电池发展的瓶颈问题。

这是刘小鹤教授研究团队近年来继在《Adv. Mater》(IF=25.8)、《JACS》(IF=14.7)、《Angew. Chem. Int. Ed.》(IF=12.3)、《ACS Nano》(IF=13.9)、《Adv. Funct. Mater.》(IF=15.6)、《ACS Energy Lett.》(IF=16.3)等国际著名期刊发表研究成果的基础上,在层状矿物材料研究领域的又一创新成果。

另悉,刘小鹤教授研究团队近期获湖南省创新研究群体项目资助(2019JJ10006),研究工作还得到国家自然科学基金、粉末冶金国家重点实验室自主课题等项目的资助。


图说中南

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