发现具有最高羟基离子传导性的纳米片

由副主要研究员马仁智和国际材料纳米构造学中心(MANA)的主任Takayoshi Sasaki领导的NIMS研究小组发现，层状双氢氧化物(LDH)纳米片具有极高的羟基离子(OH -)电导率(高达10 - 1 S / cm)。这种OH -电导率比传统的OH -导体高10至100倍，即使在无机阴离子导体中也是最高的。LDH纳米片可以用作碱性燃料电池和水电解槽等固体电解质。

在作为清洁能量转换技术受到关注的燃料电池中，氢离子(H +)导体(例如，Nafion)通常用作电解质。然而，H +导体的使用实际上需要使用铂基催化剂，因为H +产生高度酸性的操作环境。使用OH -代替H +作为导电离子是可行的。当使用OH - 时，操作环境是碱性的，允许使用其他更便宜的过渡金属元素，例如Fe，Co和Ni作为催化剂，从而降低生产成本。然而，这种方法的主要问题是OH -在现有OH 中的电导率-导体较低(10 -3至10 -2 S / cm)。对开发具有约10 -1 S / cm的离子电导率的实用导体材料的需求很高，这与H +导体的电导率相当。

在这项研究中，研究小组将LDHs在化学反应中剥离成单层，并测量所得单层纳米片的离子电导率。纳米片在大约室温下表现出非常高的电导率，高达10 -1 S / cm。高导电率可以解释如下。大量水分吸附在单层纳米片的表面，促进OH -在表面上自由移动，从而显着增强纳米片的离子传输性能。在这项研究中获得的电导率高于任何其他OH -指挥先前报道。另外，平行于纳米片表面的方向(面内方向)的导电率比垂直于表面的方向上的导电率(跨面方向)高四到五个数量级。因此，观察到的高电导率可归因于片材的最终二维纳米结构。

这项研究的结果可以作为向实现由OH驱动的固体燃料电池的重要一步- ，已经预见了许多年。为了将本研究中确定的优异的面内离子电导率应用于燃料电池和水电解槽的固体电解质层，设计能够充分利用所述电导率的器件结构是至关重要的。

本研究的一部分是与MEXT科学研究助剂(B)资助的题为“通过低维氢氧化物纳米结构的形态和结构控制进行功能调整”的项目一起进行的。

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