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10月30日，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心先進(jìn)炭材料研究部在二維材料物性研究方面取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果以CdPS3 nanosheets-based membrane with high proton conductivity enabled by Cd vacancies為題，發(fā)表在Science上。

納米孔道中的離子傳輸對(duì)能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換應(yīng)用至關(guān)重要，如質(zhì)子和鋰離子傳導(dǎo)膜分別是燃料電池和鋰離子電池的關(guān)鍵材料。目前，Nafion膜是常用的商業(yè)質(zhì)子傳導(dǎo)膜，它以磺酸基為質(zhì)子供體中心，質(zhì)子通過(guò)在納米孔道中形成的水分子網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行傳導(dǎo)，質(zhì)子傳導(dǎo)率可達(dá)0.2 S/cm。然而，在高溫（>80 oC）和/或低濕條件下，由于含水量的降低，其性能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重衰減。近年來(lái)，研究發(fā)展出多種質(zhì)子傳導(dǎo)膜，包括基于MOF、生物材料和氧化石墨烯的膜材料。這些膜材料均以官能團(tuán)（如磷酸基、羧基、羥基等）作為質(zhì)子供體中心，其性能較Nafion膜仍有較大差距。

沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心研究員任文才，中科院院士、沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心研究員成會(huì)明帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，制備出一類由二維過(guò)渡金屬磷硫化物（MPX3，其中M = Cd、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Cr等，X = S 或 Se）納米片組裝而成的膜，發(fā)現(xiàn)過(guò)渡金屬空位使該類薄膜具有超快的離子傳輸性能。例如，Cd0.85PS3Li0.15H0.15薄膜為質(zhì)子傳輸占主導(dǎo)的離子導(dǎo)體，在90℃和98%相對(duì)濕度條件下的傳導(dǎo)率高達(dá)0.95 S/cm，是目前已報(bào)道的水相質(zhì)子傳輸材料的性能最高值，且在低溫、低濕條件下仍保持很高的質(zhì)子傳導(dǎo)率。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)， Cd空位不僅提供大量的質(zhì)子供體中心，而且使該薄膜具有優(yōu)異的水合性質(zhì)，且質(zhì)子在水分子的存在下易于從空位處脫附，從而使薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的質(zhì)子傳導(dǎo)特性。此外，研究還發(fā)現(xiàn)Cd0.85PS3Li0.3和Mn0.77PS3Li0.46薄膜具有超快的鋰離子傳導(dǎo)特性，證明空位誘導(dǎo)離子快速傳輸?shù)钠者m性。

空位誘導(dǎo)離子快速傳輸為設(shè)計(jì)與開發(fā)高性能離子傳導(dǎo)膜提供新思路。Science同期發(fā)表Perspective，以Speeding protons with metal vacancies為題對(duì)該工作進(jìn)行介紹。

2016級(jí)博士生錢希堂為論文第一作者，博士生陳龍、研究員尹利長(zhǎng)、副研究員劉志博、項(xiàng)目研究員裴嵩峰、博士生KH Thebo參與該研究。中科院大連化學(xué)物理研究所研究員侯廣進(jìn)和博士生李帆對(duì)材料進(jìn)行NMR分析，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室教授宋禮、副教授陳雙明對(duì)材料進(jìn)行同步輻射分析。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委杰出青年科學(xué)基金、重大項(xiàng)目，中科院從0到1原始創(chuàng)新項(xiàng)目、戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)，以及國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等的資助。