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Science新成果！貝士德儀器水蒸氣吸附等溫線/動(dòng)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(dòng)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(duì)能量存儲(chǔ)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(jī)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(guó)杜邦公司生產(chǎn)的Nafion膜在較高的相對(duì)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(shí)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(yùn)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(shì)在必行。
有鑒于此，沈陽材料科學(xué)國(guó)家研究中心研究員任文才與中科院院士成會(huì)明帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，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(jìn)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(dú)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(duì)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(bào)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(jìn)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(duì)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(jī)理及膜中水含量具有極其重要的意義。文中使用BSD-DVS型動(dòng)態(tài)重量法蒸氣吸附儀(原型號(hào)3H-2000PW, 貝士德儀器)測(cè)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(duì)水的吸收率分別為2.97 mol/mol和3.9 mol/mol)及吸附動(dòng)力學(xué)曲線(不同濕度下吸附平衡的時(shí)間)，以此確定了膜的水合/脫水的平衡時(shí)間和不同濕度下水的吸附量，因此該測(cè)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(shí)支持真空靜態(tài)法和常壓動(dòng)態(tài)法的測(cè)試，近乎完美的滿足了所有工況條件的測(cè)試。不但可以進(jìn)行真空條件下的純組份的吸附性能評(píng)價(jià)，還可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)多組分競(jìng)爭(zhēng)性吸附吸附評(píng)價(jià)。

? ? ? BSD-VVS&DVS 多站重量法全功能蒸氣吸附儀，屬于研究級(jí)分析儀器，通過微量天平稱量一定相對(duì)壓力下樣品吸脫附前后重量的變化來測(cè)定樣品對(duì)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(duì)于氣體尤其是蒸氣的測(cè)試精度和準(zhǔn)確度更高，另彌補(bǔ)了容量法無法測(cè)試實(shí)時(shí)等壓吸附速率、無法準(zhǔn)確描述材料吸附動(dòng)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(cè)試材料對(duì)水蒸氣、有機(jī)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(gè)分析站的同時(shí)分析，適用于對(duì)多種材料吸附性能進(jìn)行研究開發(fā)的科研單位和企業(yè)用戶，由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，重量法儀器在世界各地的高端實(shí)驗(yàn)室均有廣泛的應(yīng)用。

儀器主要功能

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

◆ 等壓吸附及脫附速率（吸附動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)）;

優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)

◆ 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(cè)試效率;
◆ 可進(jìn)行等壓吸附速率測(cè)試;
◆ 脫氣時(shí)真空實(shí)時(shí)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(dòng)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(dòng)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(duì)能量存儲(chǔ)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(jī)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(guó)杜邦公司生產(chǎn)的Nafion膜在較高的相對(duì)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(shí)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(yùn)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(shì)在必行。
有鑒于此，沈陽材料科學(xué)國(guó)家研究中心研究員任文才與中科院院士成會(huì)明帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，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(jìn)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(dú)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(duì)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(bào)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(jìn)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(duì)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(jī)理及膜中水含量具有極其重要的意義。文中使用BSD-DVS型動(dòng)態(tài)重量法蒸氣吸附儀(原型號(hào)3H-2000PW, 貝士德儀器)測(cè)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(duì)水的吸收率分別為2.97 mol/mol和3.9 mol/mol)及吸附動(dòng)力學(xué)曲線(不同濕度下吸附平衡的時(shí)間)，以此確定了膜的水合/脫水的平衡時(shí)間和不同濕度下水的吸附量，因此該測(cè)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(shí)支持真空靜態(tài)法和常壓動(dòng)態(tài)法的測(cè)試，近乎完美的滿足了所有工況條件的測(cè)試。不但可以進(jìn)行真空條件下的純組份的吸附性能評(píng)價(jià)，還可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)多組分競(jìng)爭(zhēng)性吸附吸附評(píng)價(jià)。

? ? ? BSD-VVS&DVS 多站重量法全功能蒸氣吸附儀，屬于研究級(jí)分析儀器，通過微量天平稱量一定相對(duì)壓力下樣品吸脫附前后重量的變化來測(cè)定樣品對(duì)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(duì)于氣體尤其是蒸氣的測(cè)試精度和準(zhǔn)確度更高，另彌補(bǔ)了容量法無法測(cè)試實(shí)時(shí)等壓吸附速率、無法準(zhǔn)確描述材料吸附動(dòng)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(cè)試材料對(duì)水蒸氣、有機(jī)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(gè)分析站的同時(shí)分析，適用于對(duì)多種材料吸附性能進(jìn)行研究開發(fā)的科研單位和企業(yè)用戶，由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，重量法儀器在世界各地的高端實(shí)驗(yàn)室均有廣泛的應(yīng)用。

儀器主要功能

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

◆ 等壓吸附及脫附速率（吸附動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)）;

優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)

◆ 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(cè)試效率;
◆ 可進(jìn)行等壓吸附速率測(cè)試;
◆ 脫氣時(shí)真空實(shí)時(shí)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(dòng)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%;