清华大学朱宏伟团队：LDH纳米片高各向异性氢氧根离子传导

【成果简介】

清华大学材料学院朱宏伟教授课题组与日本国立物質·材料研究机构（National Institute for Materials Science，NIMS）马仁志博士和Takayoshi Sasaki教授合作，通过液相剥离法制备了面内氢氧根离子传导率高达10-1 S/cm的单层LDH纳米片，探索了LDH纳米片中由二维限域效应引发的高各向异性氢氧根离子传导，揭示了二维材料的高氢氧根离子定向传输特性。研究成果以 “Single-layer nanosheets with exceptionally high and anisotropic hydroxyl ion conductivity”发表在2017年3月的 Science Advances上。

【图文导读】

图1.LDH纳米片氢氧根离子传导机制

A. LDH薄片经液相剥离法变为单层的纳米片，获得面内高氢氧根离子传导率。

B. Grotthuss氢氧根离子导电机制。

C. 在梳状电极上对LDH纳米片的面内氢氧根离子传导率进行测量。

图2. Mg-Al LDH纳米片的形貌与性能

A． 原子力显微镜（AFM）下的Mg-Al LDH纳米片。

B． 扫描电镜（SEM）下在梳状电极上沉积的Mg-Al LDH纳米片。

C． 原子力显微镜（AFM）下在梳状电极上沉积的Mg-Al LDH纳米片。

D．在梳状电极上沉积的Mg-Al LDH纳米片阻抗的Nyquist 图。右下为高频部分的放大视图。

E．不同湿度下Mg-Al LDH纳米片面内传导率对温度的依赖关系。

【研究内容】

当层状材料的维度降至其物理极限，由此产生的二维各向异性及限域效应可能会带来新奇的物理化学特性。基于此，近年来二维材料的研究与应用吸引了广泛的研究兴趣，尤其以在石墨烯、氮化硼、黑鳞、过渡金属硫化物，以及诸如氧化钛、钙钛矿型氧化物纳米片的研究增长最为迅速。前期研究结果表明，层状双氢氧化物（layered double hydroxides, LDHs）因在二维主层表面共价键合大量羟基官能团而表现出氢氧根离子传导特性。然而，一般体相层状LDHs的氢氧根离子传导率最高仅为10^-3 S/cm，对于实际应用于氢氧根离子导体或阴离子交换膜领域来说仍不够高。

研究发现，通过液相剥离法制备的单层LDH纳米片存在极高的面内氢氧根离子传导率，高达10^-1 S/cm。该传导率值为阴离子导体中的最高值，并与商用质子交换膜（例如：Nafion）的质子传导率可比。所测得的LDH纳米片的面内氢氧根离子传导率要比纳米片相互堆叠组成的层状薄膜的跨膜/跨面传导率高4~5个数量级，体现出二维材料独特的各向异性传导特性。该研究揭示了LDH纳米片中由二维限域效应引发的高各向异性氢氧根离子传导，这一特性可被看做是这种独特二维纳米材料的本征属性。LDH纳米片优异的氢氧根离子传导特性使其在用作二维纳米构筑单元进而组装高性能氢氧根离子导体或阴离子交换膜用于电化学能量存储与转换、催化、传感以及化学过滤等领域极具前景。

论文第一作者为清华大学材料学院2016年毕业博士生孙鹏展，马仁志博士与朱宏伟教授为共同通讯作者。研究工作受到国家自然科学基金、新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室自主科研基金的支持。

原文链接：二维材料的高氢氧根离子定向传输.

文献链接：Single-layer nanosheets with exceptionally high and anisotropic hydroxyl ion conductivity

本文由材料人编辑部孟令晓编辑，点我加入材料人编辑部。