原子级薄云母作为质子传导膜
介观与纳米尺度物理
2019-09-04 v1 应用物理
摘要
石墨烯与六方氮化硼（hBN）单层对热质子高度通透。对于较厚的二维（2D）材料，质子传导性呈指数衰减，例如仅三个原子厚的单层 MoS2 对质子完全不通透。这似乎表明只有单原子厚度的晶体可用作质子传导膜。本文中我们展示，在原子尺度上相当厚的少层云母，若将其本征阳离子离子交换为质子，则成为优异的质子导体。其面电导超出石墨烯与 hBN 一到两个数量级。重要的是，离子交换后的二维云母在质子传导材料 notorious 的缺口（从 100 C 到 500 C）内表现出此种高电导。质子交换单层云母的面电导在 500 C 时可达 100 S cm-2 以上，远高于当前产业路线图的指标要求。我们将快速质子渗透归因于穿透云母晶体结构的宽 5 Å 的管状通道，其在离子交换后内部仅含羟基基团。我们的工作表明，可能存在其他具有类似纳米级通道的二维晶体，有助于填补质子传导应用中的材料缺口。
引用
@article{arxiv.1906.04667,
title = {Atomically-thin micas as proton conducting membranes},
author = {L. Mogg and G. -P. Hao and S. Zhang and C. Bacaksiz and Y. Zou and S. J. Haigh and F. M. Peeters and A. K. Geim and M. Lozada-Hidalgo},
journal= {arXiv preprint arXiv:1906.04667},
year = {2019}
}