Автор: AZoNano ]

Исследователи из Университета Манчестера обнаружили, что атомно-тонкие слюды – название, данное типу обычного минерала, обнаруженного в почве, – являются превосходными проводниками протонов. Этот удивительный результат важен для использования 2D-материалов в таких областях, как топливные элементы и другие технологии, связанные с водородом.

Ранее исследователи из Манчестера во главе с профессором Андре Геймом и доктором Марсело Лозада-Идальго обнаружили, что материалы толщиной в один атом, такие как графен, очень проницаемы для протонов, ядер атомов водорода. Однако они также обнаружили, что другие двумерные материалы, такие как сульфид молибдена (MoS ₂ ), толщиной всего три атома, были полностью непроницаемыми для протонов. Эти результаты показывают, что только протоны толщиной в один атом могут быть проницаемы для протонов.

Написав в Nature Nanotechnology команда показала, что протоны могут легко проникать через несколько слоистых слюд, несмотря на то, что они в 10 раз толще графена. Слюды, как и графит, состоят из кристаллических слоев, уложенных друг на друга, и могут быть нарезаны на один слой. Команда изолировала один из этих слоев и обнаружила, что он в 100 раз более проницаем для протонов, чем графен.

На первый взгляд, этот результат кажется невозможным, потому что слюды слишком толстые для проникновения протонов – они гораздо толще монослоя MoS ₂ который полностью непроницаем для протонов. Однако слюды можно рассматривать как кристаллические плиты, пронизанные трубчатыми каналами. Эти каналы не пусты, но заполнены гидроксильными группами, которые похожи на протон-проводящие одномерные цепи в воде. Протоны прыгают вдоль этих цепей, превращая материал в превосходный протонный проводник.

Лукас Могг, аспирант проекта и первый автор статьи, сказал: «Мы обнаружили, что протонная проводимость в атомно-тонких слюдах в 10-100 раз выше, чем в графене. Это обнадеживает, потому что графен уже рассматривается как перспективный протонопроводящий материал. Наши результаты показывают, что слюды могут быть еще более многообещающими – не в последнюю очередь потому, что они в изобилии и недороги ».

Профессор Андре Гейм сказал: «Результат также подразумевает, что многие другие 2D материалы могут быть превращены в протонные проводники. Наша стратегия не ограничивается протонами или слюдами. Можно исследовать еще много двумерных кристаллов с каналами атомного масштаба, аналогичными каналам в слюдах, что, как мы надеемся, принесет неожиданные явления и новые применения в области протонных и ионных проводников ».

Исследователи также обнаружили, что слюда становится особенно высоко проводящей в температурном диапазоне, который был общеизвестно недоступен для соответствующих технологий.

Доктор Марсело Лозада-Идальго сказал: «Существует недостаток протонопроводящих материалов, которые могут надежно работать при температуре от 100 ° C до 500 ° C. Тем не менее, это наиболее подходящий температурный диапазон для оптимальной работы топливных элементов и других водородных технологий. Атомно-тонкие слюды довольно хорошо работают в этом диапазоне температур – они заслуживают внимания с этой точки зрения ».

Кроме того, исследователи говорят, что в настоящее время они работают над созданием мембраны-прототипа из слюды, достаточно большой, чтобы ее можно было протестировать в промышленных условиях. Они также с оптимизмом смотрят на возможности, которые открывает это исследование с точки зрения фундаментальных исследований. Работа показывает, что поле двумерных ионных проводников имеет большие перспективы благодаря большому количеству других кристаллов, которые можно превратить в ионные и протонные проводники.

Источник: https://www.manchester.ac.uk/