Исследовательская группа NIMS во главе с помощником главного исследователя Ренжи Ма и директором Такаёси Сасаки из Международного центра наноархитектоники материалов (MANA) обнаружила, что нанолисты слоистого двойного гидроксида (LDH) имеют исключительно высокое содержание гидроксильных ионов (OH -) электропроводность (до 10-1 См/см). Эта проводимость OH- в 10-100 раз выше, чем у обычных проводников OH-, и является самой высокой даже среди неорганических анионных проводников. Нанолисты LDH могут применяться в качестве твердых электролитов для щелочных топливных элементов и электролизеров воды, среди других устройств.
В топливных элементах, привлекающих внимание как к чистой технологии преобразования энергии, в качестве электролитов обычно используются ионы водорода (H+) (например, Nafion®). Однако использование проводников H+ фактически требует использования катализаторов на основе платины, поскольку H+ создает очень кислую рабочую среду. Можно использовать OH- вместо H+ в качестве проводящего иона. Когда используется OH-, рабочая среда является щелочной, что позволяет использовать другие более дешевые переходные металлы, такие как Fe, Co и Ni, в качестве катализаторов, снижая производственные затраты. Однако основная проблема с этим подходом заключается в том, что проводимость OH- в существующих проводниках OH- низка (10). -3 до 10-2 См/см). Спрос на разработку практичных проводниковых материалов с ионной проводимостью около 10-1 См/см был высок, что сравнимо с проводимостью H+. проводники.
В этом исследовании исследовательская группа расщепила LDH на отдельные слои в результате химических реакций и измерила ионную проводимость полученных однослойных нанолистов. Нанолисты продемонстрировали очень высокую проводимость, до 10-1 См/см, примерно при комнатной температуре. Высокая проводимость может быть объяснена следующим образом. Большое количество влаги адсорбируется на поверхности однослойных нанолистов, способствуя свободному перемещению OH- по поверхности, тем самым значительно улучшая свойства переноса ионов нанолистов. Проводимость, полученная в этом исследовании, выше, чем у любого другого проводника OH-, о котором сообщалось ранее. Кроме того, проводимость в направлении, параллельном поверхности нанолиста (направление в плоскости), была на четыре-пять порядков выше, чем проводимость в направлении, перпендикулярном поверхности (направление в плоскости). Следовательно, наблюдаемая высокая проводимость может быть связана с конечной двумерной наноструктурой листов.
Выводы этого исследования могут послужить важным шагом на пути к реализации твердотопливных элементов, работающих на OH-, которые ожидались в течение многих лет. Чтобы применить превосходную ионную проводимость в плоскости, выявленную в этом исследовании, к слоям твердого электролита для топливных элементов и электролизеров воды, будет жизненно важно разработать структуры устройств, способные полностью использовать указанную проводимость.
Часть этого исследования была проведена в связи с проектом под названием «Настройка функций посредством управления морфологией и структурой низкоразмерных гидроксидных наноструктур», финансируемого MEXT Grants-in-Aid for Scientific Research (B).
Это исследование было опубликовано в журнале Science Advances.