离子在纳米通道中的传输对于生命科学、过滤和能量储存等应用至关重要。然而，与单价离子相比，多价离子的传输更加困难，这是由于空间效应和与通道壁的相互作用更强，并且随着温度的降低，离子的迁移能力显著降低。
尽管已经开发出许多种类的固体离子导体（SICs），但它们只能在0℃以上的单价离子中实现实用的电导率（0.01 S cm-¹）。
在此，来自中科院金属所&中国科学技术大学等单位研究者 报告了一类多功能超离子导体，即基于单层CdPS₃纳米片的膜，其中插入了密度高达2 nm-²的各种阳离子 。相关论文以题为“2D CdPS3-based versatile superionic conductors”发表在Nature Communications上。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-39725-6
开发具有Å级通道的人工孔结构，以模拟生物系统中的离子传输，对于生命科学、过滤和能量存储等应用至关重要。电化学能量存储技术的快速增长和多样性以及对安全性的关注，要求能够在纳米通道中导电各种离子，如Li⁺、Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺和Al³⁺等，这些离子为细胞反应提供离子电流支持。尤其是基于多价离子传输和储存的电池，比起当前的Li离子电池，具有更高的能量密度和/或容量密度，并且还具备长期成本和可持续资源可用性等优点。此外，随着对能量存储的需求不断增加，电池越来越需要在温度极端条件下运行。已经开发了各种材料作为固体离子导体(SICs)，包括无机固体、聚合物、金属有机框架(MOFs)和二维(2D)材料。然而，与单价离子相比，多价离子在纳米通道中的传输更加困难，这是由于空间效应和与通道壁的相互作用更强，并且随着温度的降低，离子迁移能力显著减弱。因此，多价离子SICs的电导率至少比单价离子SICs小一个数量级，在室温下通常低于10-³ S cm-¹。迄今为止，几乎没有现有的SICs能够在0℃以下实现实际可用的电导率，即使对于最常见的单价离子如Li⁺和Na⁺也是如此。
最近，研究者报道了一类由单层MPX₃纳米片（M = Cd，Mn，Fe，Co，Ni，Zn或Cr；X = S或Se）组装而成的膜，在30至90℃温度范围内显示出异常高的质子和Li⁺导电性。与MOFs和其他层状膜（如氧化石墨烯（GO）和MXene膜）不同，MPX₃膜的纳米通道壁包含大量负电荷的过渡金属空位。在本文中，研究者展示了富含空位的CdPS₃纳米片基膜可以与各种阳离子插层，其密度高达2 nm-²，形成多功能超离子导体。它们在-30至90℃温度范围内对于单价离子（Li⁺，Na⁺，K⁺）和多价离子（Ca²⁺，Mg²⁺，Al³⁺）表现出类似的超高导电性，约为0.01至0.8 S cm⁻¹，比相应最佳SICs高一个到两个数量级。
在这里，研究者报告了一类多功能超离子导体，即基于单层CdPS₃纳米片的膜，其中插入了密度高达2 nm-²的各种阳离子。它们在-30℃至90℃温度范围内，对于单价离子（K+、Na+、Li+）和多价离子（Ca²+、Mg²+、Al³+）表现出意外相似的超高离子导电性，约为0.01至0.8 S cm-¹，比相应的最佳SICs高出一个到两个数量级。研究者揭示了高导电性源于在有序纳米通道中高密度阳离子的协同运动，具有高迁移性和低能量障碍。研究者的研究为设计能够导电多种阳离子的超离子导体开辟了一条途径，并为在纳米毛细管中发现非常规纳米流体现象提供了可能性。
图1：CDPS3-Z膜的合成和表征。
图2：CDPS3-Z膜的离子传输性能。
图3：CDPS3-Z膜与现有离子导体的离子电导率的比较。
图4：CDPS3-Z膜的离子传输机制。
综上所述，研究表明，在CdPS3-Z膜的有序二维纳米通道内，高密度阳离子实现了协同离子迁移，克服了空间效应、与通道壁的强相互作用以及限制离子在纳米通道中迁移的水溶液冻结现象。因此，这些膜在广泛的温度范围（-30到90摄氏度）内展现了超高的单价和多价离子导电性，比相应最佳固体离子导体高一个数量级。这些发现不仅揭示了受限纳米毛细管中的纳米流体现象，而且为设计在极端温度下能够导电各种离子的超离子导体打开了一条新途径，这对于开发具有扩展应用的各种电化学器件至关重要。（文：水生）
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