引入到原子级薄2D材料中的埃级孔为质子交换膜在几种能源应用中提供了变革性的进展。

近日，范德堡大学Piran R. Kidambi展示了可扩展的化学气相沉积(CVD)的简单动力学控制可以在单层石墨烯中直接形成埃级的质子选择性孔隙，对即使是很小的水合离子(K⁺直径约6.6 Å)和气体分子(H₂动力学直径约2.9 Å)也有显著阻碍。

文章要点

1）研究人员展示了厘米级Nafion|石墨烯|Nafion膜，质子电导约3.3−3.8 S cm⁻²(石墨烯∼12.7−24.6 S cm⁻²)，H+/K+选择性为6.2−44.2。同一膜的质子电导约为4.6−4.8 S cm⁻²(石墨烯∼39.9−57.5 S cm⁻²)和极低的H₂交叉（∼1.7 × 10⁻¹ − 2.2 × 10⁻¹ mA cm⁻² (∼0.4 V, ∼25 °C)）与H₂气供。

2）研究人员通过基于电阻的传输模型对发现进行了合理化，并引入了一种堆积方法，该方法利用缺陷间距离和层间传输的组合效应，使Nafion|石墨烯|石墨烯|Nafion膜具有H+/K+选择性（∼86.1(在1M)），并记录了低H₂交叉电流密度（∼2.5×10⁻² mA cm⁻²），在相同条件下比最先进的离子材料Nafion膜∼低达90%，∼2.7×10−1 mA cm⁻²，同时保持质子电导∼4.2S cm⁻²（石墨烯堆叠∼20.8 S cm⁻²）与∼5.2 S cm⁻²的Nafion相当。

这项研究使功能原子级薄高通量质子交换膜具有最小的交叉。

参考文献

Nicole K. Moehring, et al, Kinetic Control of Angstrom-Scale Porosity in 2D Lattices for Direct Scalable Synthesis of Atomically Thin Proton Exchange Membranes, ACS Nano, 2022

DOI: 10.1021/acsnano.2c03730

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c03730