 Профессор Северо-Западного университета Цзясин Хуан разработал дешевую и более стабильную протон-проводящую систему. Чтобы найти ключевой компонент, ему достаточно было обыскать свой собственный задний двор – и он для своих целей стал использовать глину.
При транспортировке протон генерирует электрический ток, который играет ключевую роль как в природе, так и в технике. Инженеры заинтересованы в освоении протонной проводимости для катализа, электрохимических датчиков и реакторов, а также сбора энергии. В топливных элементах, например, протон должен транспортироваться через мембрану для того, чтобы достичь катода, завершая преобразование химической энергии в электрическую.
В элементах питания протоны могут транспортироваться через нанопоры, образованные мембранными белками. Инженеры пытались имитировать этот процесс путем создания искусственных протонных наноканалов. За последние 20 лет они использовали нанолитографию для создания наноканалов в кремнии, стекле и других материалах для повышения переноса ионов и проводимости. Эти наноканалы в конечном результате приводят к увеличению проводимости, но есть две основные проблемы: литография является сложным и дорогим процессом, и конечный материал трудно производить в больших масштабах.
«Многие виды наноканалов были продемонстрированы на подложке», сказал Хуан. «Но их было трудно производить в больших количествах, скажем, в субстрате заполненного наноканалами».
Новое решение Хуана основано на природных свойствах глины. Когда двумерные слои глины, или вермикулит, слущиваются в воде, они переносят отрицательные заряды, притягивающие положительно заряженные протоны. После того, как листы осушаются, они самостоятельно формируют бумагоподобную пленку. Одно-нанометровое расстояние между слоями служит в качестве наноканалов, которые могут концентрировать протоны для проводимости.
По сравнению с листами на основе графена и других двумерных материалов, слои глины имеют значительные преимущества для построения ионопроводящих устройств и материалов. Глина легко доступна и могут быть расслоена в воде посредством ионного обмена, что является более удобным методом по сравнению с химическим пилингов, необходимым для графена и других материалов. Глина также имеет экстраординарную химическую и термическую стабильность, и способна выдерживать температуры выше, чем 500 градусов по Цельсию.
Простота материальных технологий, необходимых для производства таких двумерных наноканалов позволяет легко их масштабировать. Таким образом, вместо того, чтобы получить в результате небольшое число каналов, свыше 30 процентов от объема глиняной мембраны выполнен из протонпроводящих наноканалов.
Хуан называет его глиняную мембрану новым примером объемных наноструктурных материалов», которые относится к макроскопической форме материалов со структурными блоками в нанометровом масштабе. Объемные наноструктурные материалы представляют большой интерес частично потому, что они имеют новые свойства, которые несостоятельны их наноструктурированных блокам.
В этом случае отдельные листы глины не имеют протонпроводящих свойств. Они должны собираться лицом к лицу, чтобы произвести окончательную объемную форму материала, в котором все слои вместе поддерживаю протонопроводящие свойства.
«Мы изучаем наноматериалы за рамки отдельного наноструктурированного блока», сказал он. «Глина - это сыпучий материал, который можно легко находить, манипулировать и использовать»
|
