本文摘要：9月2日、18日，天津大學化工學院張生教授與英國曼徹斯特大學諾貝爾物理獎得主安德烈·海姆教授等人，以及來自清華-伯克利深圳學院、大連理工大學、比利時安特衛普大學的研究人員互助，劃分以配合第一作者、配合通訊作者在Nature Nanotechnology、Nature Communications揭曉兩篇研究論文，天津大學為署名單元。

9月2日、18日，天津大學化工學院張生教授與英國曼徹斯特大學諾貝爾物理獎得主安德烈·海姆教授等人，以及來自清華-伯克利深圳學院、大連理工大學、比利時安特衛普大學的研究人員互助，劃分以配合第一作者、配合通訊作者在Nature Nanotechnology、Nature Communications揭曉兩篇研究論文，天津大學為署名單元。質子傳導膜是現代燃料電池、電解水、CO2電化學還原等技術的焦點部件之一，其功效是隔離陰陽南北極上反映物或產物，同時通過構筑離子通道實現質子的有效傳導，因此在很大水平上影響這些電化學技術的能量轉化效率、產物分散能力等重要性能指標，論文報道了單原子二維質子傳導膜領域的最新基礎與應用研究希望。2014年，海姆教授等人(Nature, 2014, 516, 227)首次證實了石墨烯以及氮化硼等具有單原子層厚度(約0.3 nm)的二維質料可作為良好的"質子傳導膜"，展現了對氫同位素的良好分散效果(Science, 2015, 351, 68; Nat. Commun. 2017, 15215)，進一步研究發現了光致增強質子傳輸效應("photo-proton effect" Nat. Nanotech. 2018, 13, 300)。

在之前的超薄二維質子傳導膜的研究基礎之上(Nat.Nanotech. 2018, 13, 300; Nat. Commun.2017,15215)，張生教授與互助者在最新的研究中發現上述二維質料是完美質子選擇性(perfect proton selectivity)傳導膜。他們首先制備微米級單層氮化硼薄膜，兩側劃分放置差別濃度的HCl溶液，從而獲得膜電勢與HCl濃度梯度之間的關系，進一步通過能斯特-普朗克公式獲得質子遷移數(transport number)為1，說明通過氮化硼薄膜的全部電流完全是由質子傳導所致，這證實了完美單原子二維膜對質子傳導的選擇性為100%。

然而，質子在單層石墨烯中的傳輸能壘高達0.8 eV(80 kJ/mol)，縱然在單層氮化硼薄膜中的傳輸能壘也需要0.3 eV以上，遠高于在Nafion膜的0.02 eV的能壘，因此質子傳導率較低。為此，張生教授與互助者將云母薄膜層間的天然存在的鉀離子與質子舉行交流，發現云母釀成優良的質子導體，其面電導率凌駕石墨烯和氮化硼的電導率一到兩個數量級。原因在于離子交流處置懲罰后云母薄膜內構建了0.5nm的管狀通道，填充著大量的羥基，質子沿著這些鏈跳躍，將質料轉變為優良的質子傳輸導體。

特別是其高溫質子傳導性能，從~100℃延伸到500℃，質子交流后云母薄膜的質子傳輸面導電率在500℃時可到達100 S cm-2以上，凌駕了美國能源部對高溫質子膜燃料電池中質子傳導率的要求。云母礦富厚的儲量以及低廉的價錢，將會促進高溫質子交流膜燃料電池的生長。延伸閱讀：人物簡介:張生，2018年加入天津大學，任化工學院長聘教授，入選國家級外洋高條理人才計劃?；貒熬吐氂谟鼜厮固卮髮W任歐盟瑪麗居里研究員。

恒久致力于能源電化學與化工領域，研究涉及化工、質料、化學、物理等學科，詳細研究偏向包羅二氧化碳電化學轉化系統與歷程強化；質子傳導膜構建與清潔能源器件；先進催化劑設計與可控合成，現在已在Nature Nano. (2)、Nature Comm. (2)、PNAS、JACS (3)、Angew. Chem. (2)等著名學術期刊揭曉SCI論文40余篇，海內外相關學者在Nature、Science雜志上總引用6000余次，單篇最高引用800多次，其中8篇論文單篇引用凌駕300次，H因子為30，ESI高被引論文9篇，同時擁有授權/申請專利共5項。曾獲得黑龍江省科學技術一等獎、中國百篇最具國際影響學術論文等榮譽。

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