Forskare vid University of Manchester upptäckte att atomärt tunna glimmer - namnet på en typ av vanligt mineral som finns i jord - är utmärkta protonledare. Detta överraskande resultat är viktigt för användningen av 2D-material i applikationer som bränsleceller och andra väterelaterade teknologier.

Tidigare, Manchester-forskarna ledda av professor Andre Geim och Dr Marcelo Lozada-Hidalgo fann att enatomstjocka material som grafen är mycket genomsläppliga för protoner, kärnor av väteatomer. Dock, de fann också att andra 2D-material som molybdensulfid (MoS2), som bara var tre atomer tjocka, var helt ogenomträngliga för protoner. Dessa resultat antydde att endast enatoms tjocka kristaller kunde vara permeabla för protoner.

Skriver in Naturens nanoteknik , teamet har visat att protoner lätt kan tränga igenom fålagrade glimmer trots att de är 10 gånger tjockare än grafen. Micas, som grafit, består av kristalllager staplade ovanpå varandra och kan skivas ner till ett enda lager. Teamet isolerade ett av dessa lager och fann att det var 100 gånger mer genomsläppligt för protoner än grafen.

Vid första ögonkastet, detta resultat verkar omöjligt eftersom glimmer är för tjocka för att protoner ska tränga igenom - de är mycket tjockare än monolager MoS ₂ som är helt ogenomtränglig för protoner. Dock, glimmer kan ses som kristallplattor genomborrade av rörformiga kanaler. Dessa kanaler är inte tomma utan fyllda med hydroxylgrupper som är som de protonledande endimensionella kedjorna i vatten. Protoner hoppar längs dessa kedjor, förvandla materialet till en utmärkt protonledare.

Lucas Mogg, en Ph.D. student på projektet och den första författaren till uppsatsen sa:"Vi fann att protonledningsförmågan i atomärt tunna glimmer är 10 till 100 gånger högre än i grafen. Det är uppmuntrande eftersom grafen redan betraktas som ett lovande protonledande material. Våra resultat visar att glimmer kan vara ännu mer lovande - inte minst för att de är rikliga och billiga."

Professor Andre Geim sa:"Resultatet antyder också att många andra 2D-material skulle kunna omvandlas till protonledare. Vår strategi är inte begränsad till protoner eller glimmer. Många fler 2D-kristaller med kanaler i atomskala som liknar de i glimmer. kunde utforskas, förhoppningsvis medför oväntade fenomen och nya tillämpningar inom området proton- och jonledare."

Forskarna fann också att glimmer blir särskilt starkt ledande i ett temperaturområde som har varit notoriskt otillgängligt för relaterade teknologier.

Dr Marcelo Lozada-Hidalgo sa:"Det finns en brist på protonledande material som tillförlitligt kan arbeta mellan 100°C och 500°C. Men, detta är det sweet spot temperaturintervallet för optimal drift av bränsleceller och andra väteteknologier. Atomtunna glimmer fungerar ganska bra i detta temperaturintervall - de förtjänar uppmärksamhet ur detta perspektiv."

Vidare, forskarna säger att de nu arbetar med att bygga ett glimmerprototypmembran som är tillräckligt stort för att testas under industriella förhållanden. De är också optimistiska om de möjligheter denna forskning öppnar när det gäller grundforskning. Arbetet visar att området för tvådimensionella jonledare har mycket lovande på grund av rikedomen av andra kristaller som skulle kunna omvandlas till jon- och protonledare.

Artikeln Atomiskt tunna glimmer som protonledande membran kommer att publiceras på Naturens nanoteknik .