[发明专利]基于含金属空位的二维材料的离子传导膜及其制备方法

说明书

本发明属于离子传导膜领域，具体涉及一种基于含金属空位的二维材料的离子传导膜及其制备方法。该二维材料通过离子交换插层过渡金属硫磷化物块体获得，通过层层叠加组装形成层状膜，利用过渡族金属空位吸附的离子易于脱附、薄膜润湿性好、低湿度下的保水性等特点，结合二维材料自组装膜规则的纳米通道和强毛细管作用力可促进离子和水分子快速传输的优势，获得了在大范围相对湿度和温度环境下具有超高质子、锂离子传输率的离子传导膜。本发明具有制备工艺简单、易于结构调控和规模放大的特点，为二维材料在燃料电池、质子传导膜电解槽、锂离子电池、锂硫电池、钠离子电池等能量转化和存储器件中的应用奠定了基础。

技术领域:

本发明属于离子传导膜领域，具体涉及一种基于含金属空位的二维材料的离子传导膜及其制备方法。

背景技术:

离子传导膜被广泛应用于分离、能源转换和存储等领域。例如，质子传导膜是燃料电池最核心的部分，为质子传输提供快速通道，降低质子传输内阻，直接决定着燃料电池的整体性能。质子传导膜材料主要包括高分子材料(如，全氟磺酸聚合物，即Nafion)、金属有机框架材料和生物材料。其中，Nafion是目前最常见的商用材料，在湿度环境下其质子传输率可达0.2S cm^-1。但是该质子传输率依然比较低，且在高于80℃或者在低相对湿度的环境下容易脱水，导致其质子传输率严重下降。二维材料是以石墨烯为代表的单原子层或少数原子层厚度的片状材料，其中通过液相剥离层状块体材料的方法宏量获得的二维材料纳米片面内尺寸一般在微米尺度。这些二维材料纳米片可以通过堆叠组装形成层状膜，其具有规则的纳米通道和强的毛细作用力，可以促进离子和水分子的快速传输，兼具可大规模制备的优点，且二维材料体系丰富多样，为高性能离子传导膜材料的开发提供了机遇。

发明内容:

本发明的目的是提供一类由含过渡金属空位的二维过渡金属硫磷化物纳米片层层叠加组装形成的高性能离子传导膜及其制备方法，解决现有离子传导膜传输率低以及高温、低湿度环境下容易脱水引起的传输率降低等问题。

本发明的技术方案是：

一种基于含金属空位的二维材料的离子传导膜，二维材料为含有过渡金属空位的单层占优的过渡金属硫磷化物纳米片，其分子式为M_nPX₃Y_2(1-n)或M_nPX₃Y_mZ_2(1-n)-m，其中：M为过渡族金属元素，包括但不限于镉、锰、铁、钴、镍、锌或铬；P为磷元素，X为硫或硒；Y为锂元素；Z包括但不限于氢、钠或钾；n为位于0.5和1之间的数值；m为位于0和2(1-n)之间的数值；离子传导膜是由M_nPX₃Y_2(1-n)或M_nPX₃Y_mZ_2(1-n)-m纳米片层层叠加组装形成的层状膜；离子传导膜的厚度不小于10nm，层间距为0.9～1.3nm；在相对湿度30～98％、温度30℃～90℃下，质子传导膜的质子传输率范围为0.31～0.95S cm^-1，锂离子传导膜的锂离子传输率范围为0.25～0.81S cm^-1。

所述的基于含金属空位的二维材料的离子传导膜，优选的，离子传导膜的厚度为3～20μm。