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Science新成果！貝士德儀器水蒸氣吸附等溫線/動力學(xué)數(shù)據(jù)助力質(zhì)子交換膜離子傳輸性能研究

Science新成果！貝士德儀器水蒸氣吸附等溫線/動力學(xué)數(shù)據(jù)助力質(zhì)子交換膜離子傳輸性能研究

發(fā)布日期：2023-09-13 來源：貝士德儀器

納米通道中的離子傳輸對能量存儲和轉(zhuǎn)換的應(yīng)用至關(guān)重要。各種材料包括聚合物，如Nafion，金屬有機框架(MOFs)，生物衍生材料和二維材料已被開發(fā)用于質(zhì)子交換膜。目前普遍采用的美國杜邦公司生產(chǎn)的Nafion膜在較高的相對濕度(RH)下的質(zhì)子電導(dǎo)率可達(dá)0.2 S·cm-1。然而，在高溫（>80℃）和/或低濕條件下，Nafion膜由于在高溫時失水而導(dǎo)致導(dǎo)電率迅速下降，不能滿足質(zhì)子交換膜燃料電池高溫運行的性能要求，因此研究開發(fā)能夠在高溫下仍具有優(yōu)異性能的質(zhì)子交換膜勢在必行。
有鑒于此，沈陽材料科學(xué)國家研究中心研究員任文才與中科院院士成會明帶領(lǐng)的研究團隊，在《Science》上發(fā)表的題為“CdPS3 nanosheets-based membrane with high proton conductivity enabled by Cd vacancies”的研究中制備出一類由二維過渡金屬磷硫化物（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)過渡金屬空位使該類薄膜具有超快的離子傳輸性能。

該研究首先通過K+插層交換獲得含Cd空位的Cd0.85PS3K0.3，然后進行Li+插層交換，接著剝離，以獲得Cd0.85PS3Li0.3納米片。然后將Cd0.85PS3Li0.3納米片完全浸泡在HCl溶液中來合成Cd0.85PS3Li0.15H0.15納米片。最后通過真空過濾從分散體中制備了獨立的Cd0.85PS3Li0.3和Cd0.85PS3Li0.15H0.15膜。
? ? ? 基于豐富的質(zhì)子供體中心，比較容易的質(zhì)子解吸，以及Cd空位誘導(dǎo)的良好的水合作用。90 ℃和98%相對濕度下，Cd0.85PS3Li0.15H0.15膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率達(dá)到了0.95 S cm?1，是目前已報道的水相質(zhì)子傳輸材料的性能最高值，并且在低溫、低濕條件下仍保持了很高的質(zhì)子傳導(dǎo)率。進一步研究發(fā)現(xiàn)， Cd空位不僅提供了大量的質(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，研究人員發(fā)現(xiàn)，Cd0.85PS3Li0.3和Mn0.77PS3Li0.46薄膜同樣具有超高鋰離子電導(dǎo)率，證明了空位誘導(dǎo)離子快速傳輸?shù)钠者m性。

? ? ? 眾所周知，質(zhì)子交換膜中水含量及分布特性對質(zhì)子傳遞具有極其關(guān)鍵的影響，所以，研究水在質(zhì)子交換膜中的傳遞機理及膜中水含量具有極其重要的意義。文中使用BSD-DVS型動態(tài)重量法蒸氣吸附儀(原型號3H-2000PW, 貝士德儀器)測量了298 K下水蒸氣的吸附-脫附等溫線(98%RH下，Cd0.85PS3Li0.15H0.15和Cd0.85PS3Li0.3膜對水的吸收率分別為2.97 mol/mol和3.9 mol/mol)及吸附動力學(xué)曲線(不同濕度下吸附平衡的時間)，以此確定了膜的水合/脫水的平衡時間和不同濕度下水的吸附量，因此該測試為研究高質(zhì)子傳導(dǎo)率膜材料具有十分重要的意義。



?BSD-VVS&DVS（3H-2000PW）
多站重量法全功能蒸氣吸附儀

? ? ? 多站重量法全功能蒸氣吸附儀，同時支持真空靜態(tài)法和常壓動態(tài)法的測試，近乎完美的滿足了所有工況條件的測試。不但可以進行真空條件下的純組份的吸附性能評價，還可以進行動態(tài)多組分競爭性吸附吸附評價。

? ? ? BSD-VVS&DVS 多站重量法全功能蒸氣吸附儀，屬于研究級分析儀器，通過微量天平稱量一定相對壓力下樣品吸脫附前后重量的變化來測定樣品對特定蒸氣、氣體的吸脫附量。

? ? ? 重量法相比容量法，不采用任何折中近似處理，不存在溫區(qū)分布、氣體非理想化校正等誤差來源，直接獲得吸附量，所以對于氣體尤其是蒸氣的測試精度和準(zhǔn)確度更高，另彌補了容量法無法測試實時等壓吸附速率、無法準(zhǔn)確描述材料吸附動力學(xué)特性的缺陷。BSD-VVS&DVS 多站重量法全功能蒸氣吸附儀，可測試材料對水蒸氣、有機蒸氣及各種氣體的吸附量，吸附速率等參數(shù)；在真空重量法蒸氣吸附儀中，為全球首款多站儀器，可支持1-8個分析站的同時分析，適用于對多種材料吸附性能進行研究開發(fā)的科研單位和企業(yè)用戶，由于其獨特的優(yōu)勢，重量法儀器在世界各地的高端實驗室均有廣泛的應(yīng)用。

儀器主要功能

◆ 真空/動態(tài)重量法蒸氣吸附;
◆ 用于測試各種氣體及蒸氣的吸附脫附等溫線，如水蒸氣，有機蒸氣等;

◆ 等壓吸附及脫附速率（吸附動力學(xué)評價）;

優(yōu)勢特點

◆ 采用重量法定量，無溫區(qū)及任何近似折中過程;
◆ 8工作站，高測試效率;
◆ 可進行等壓吸附速率測試;
◆ 脫氣時真空實時稱量，活化更完全，更準(zhǔn)確;

儀器參數(shù)

◆ 靈敏度/量程：1ug/2000mg（0.1ug可選）;
◆ 動態(tài)稱重范圍：10～1000mg;
◆ 分析位：2/4/8站;
◆ 真空脫氣溫度：室溫～400oC;
◆ 蒸氣分壓P/P0控制范圍：0.01%～99%;

Science新成果！貝士德儀器水蒸氣吸附等溫線/動力學(xué)數(shù)據(jù)助力質(zhì)子交換膜離子傳輸性能研究

發(fā)布日期：2023-09-13 來源：貝士德儀器

納米通道中的離子傳輸對能量存儲和轉(zhuǎn)換的應(yīng)用至關(guān)重要。各種材料包括聚合物，如Nafion，金屬有機框架(MOFs)，生物衍生材料和二維材料已被開發(fā)用于質(zhì)子交換膜。目前普遍采用的美國杜邦公司生產(chǎn)的Nafion膜在較高的相對濕度(RH)下的質(zhì)子電導(dǎo)率可達(dá)0.2 S·cm-1。然而，在高溫（>80℃）和/或低濕條件下，Nafion膜由于在高溫時失水而導(dǎo)致導(dǎo)電率迅速下降，不能滿足質(zhì)子交換膜燃料電池高溫運行的性能要求，因此研究開發(fā)能夠在高溫下仍具有優(yōu)異性能的質(zhì)子交換膜勢在必行。
有鑒于此，沈陽材料科學(xué)國家研究中心研究員任文才與中科院院士成會明帶領(lǐng)的研究團隊，在《Science》上發(fā)表的題為“CdPS3 nanosheets-based membrane with high proton conductivity enabled by Cd vacancies”的研究中制備出一類由二維過渡金屬磷硫化物（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)過渡金屬空位使該類薄膜具有超快的離子傳輸性能。

該研究首先通過K+插層交換獲得含Cd空位的Cd0.85PS3K0.3，然后進行Li+插層交換，接著剝離，以獲得Cd0.85PS3Li0.3納米片。然后將Cd0.85PS3Li0.3納米片完全浸泡在HCl溶液中來合成Cd0.85PS3Li0.15H0.15納米片。最后通過真空過濾從分散體中制備了獨立的Cd0.85PS3Li0.3和Cd0.85PS3Li0.15H0.15膜。
? ? ? 基于豐富的質(zhì)子供體中心，比較容易的質(zhì)子解吸，以及Cd空位誘導(dǎo)的良好的水合作用。90 ℃和98%相對濕度下，Cd0.85PS3Li0.15H0.15膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率達(dá)到了0.95 S cm?1，是目前已報道的水相質(zhì)子傳輸材料的性能最高值，并且在低溫、低濕條件下仍保持了很高的質(zhì)子傳導(dǎo)率。進一步研究發(fā)現(xiàn)， Cd空位不僅提供了大量的質(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，研究人員發(fā)現(xiàn)，Cd0.85PS3Li0.3和Mn0.77PS3Li0.46薄膜同樣具有超高鋰離子電導(dǎo)率，證明了空位誘導(dǎo)離子快速傳輸?shù)钠者m性。

? ? ? 眾所周知，質(zhì)子交換膜中水含量及分布特性對質(zhì)子傳遞具有極其關(guān)鍵的影響，所以，研究水在質(zhì)子交換膜中的傳遞機理及膜中水含量具有極其重要的意義。文中使用BSD-DVS型動態(tài)重量法蒸氣吸附儀(原型號3H-2000PW, 貝士德儀器)測量了298 K下水蒸氣的吸附-脫附等溫線(98%RH下，Cd0.85PS3Li0.15H0.15和Cd0.85PS3Li0.3膜對水的吸收率分別為2.97 mol/mol和3.9 mol/mol)及吸附動力學(xué)曲線(不同濕度下吸附平衡的時間)，以此確定了膜的水合/脫水的平衡時間和不同濕度下水的吸附量，因此該測試為研究高質(zhì)子傳導(dǎo)率膜材料具有十分重要的意義。



?BSD-VVS&DVS（3H-2000PW）
多站重量法全功能蒸氣吸附儀

? ? ? 多站重量法全功能蒸氣吸附儀，同時支持真空靜態(tài)法和常壓動態(tài)法的測試，近乎完美的滿足了所有工況條件的測試。不但可以進行真空條件下的純組份的吸附性能評價，還可以進行動態(tài)多組分競爭性吸附吸附評價。

? ? ? BSD-VVS&DVS 多站重量法全功能蒸氣吸附儀，屬于研究級分析儀器，通過微量天平稱量一定相對壓力下樣品吸脫附前后重量的變化來測定樣品對特定蒸氣、氣體的吸脫附量。

? ? ? 重量法相比容量法，不采用任何折中近似處理，不存在溫區(qū)分布、氣體非理想化校正等誤差來源，直接獲得吸附量，所以對于氣體尤其是蒸氣的測試精度和準(zhǔn)確度更高，另彌補了容量法無法測試實時等壓吸附速率、無法準(zhǔn)確描述材料吸附動力學(xué)特性的缺陷。BSD-VVS&DVS 多站重量法全功能蒸氣吸附儀，可測試材料對水蒸氣、有機蒸氣及各種氣體的吸附量，吸附速率等參數(shù)；在真空重量法蒸氣吸附儀中，為全球首款多站儀器，可支持1-8個分析站的同時分析，適用于對多種材料吸附性能進行研究開發(fā)的科研單位和企業(yè)用戶，由于其獨特的優(yōu)勢，重量法儀器在世界各地的高端實驗室均有廣泛的應(yīng)用。

儀器主要功能

◆ 真空/動態(tài)重量法蒸氣吸附;
◆ 用于測試各種氣體及蒸氣的吸附脫附等溫線，如水蒸氣，有機蒸氣等;

◆ 等壓吸附及脫附速率（吸附動力學(xué)評價）;

優(yōu)勢特點

◆ 采用重量法定量，無溫區(qū)及任何近似折中過程;
◆ 8工作站，高測試效率;
◆ 可進行等壓吸附速率測試;
◆ 脫氣時真空實時稱量，活化更完全，更準(zhǔn)確;

儀器參數(shù)

◆ 靈敏度/量程：1ug/2000mg（0.1ug可選）;
◆ 動態(tài)稱重范圍：10～1000mg;
◆ 分析位：2/4/8站;
◆ 真空脫氣溫度：室溫～400oC;
◆ 蒸氣分壓P/P0控制范圍：0.01%～99%;