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Charge-induced proton penetration across two-dimensional clay materials
Nanoscale ( IF 5.8 ) Pub Date : 2022-04-01 , DOI: 10.1039/d2nr00262k Le Shi 1 , Yushuan Gao 1 , Zhixuan Ying 1 , Ao Xu 2 , Yonghong Cheng 1
Nanoscale ( IF 5.8 ) Pub Date : 2022-04-01 , DOI: 10.1039/d2nr00262k Le Shi 1 , Yushuan Gao 1 , Zhixuan Ying 1 , Ao Xu 2 , Yonghong Cheng 1
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Two-dimensional clay materials possess superior thermal and chemical stability, and the intrinsic tubular channels in their atomic structure provide possible routes for proton penetration. Therefore, they are expected to overcome the lack of materials that can conduct protons between 100–500 °C. In this work, we investigated the detailed proton penetration mechanism across 2D clay nanosheets with different isomorphic substitutions and counterions using extensive ab initio molecular dynamics and metadynamics simulations. We found that the presence of negative surface charges can dramatically reduce the proton penetration energy barrier to about one-third that of the neutral case, making it a feasible choice for the design of next-generation high-temperature proton exchange membranes. By tuning the isomorphic substitutions, the proton conductivity of single-layer clay materials can be altered.
中文翻译：
电荷诱导质子穿透二维粘土材料
二维粘土材料具有优异的热稳定性和化学稳定性，其原子结构中固有的管状通道为质子穿透提供了可能的途径。因此，它们有望克服缺乏可以在 100-500°C 之间传导质子的材料的问题。在这项工作中，我们使用广泛的ab initio研究了具有不同同构取代和抗衡离子的二维粘土纳米片的详细质子穿透机制分子动力学和元动力学模拟。我们发现，负表面电荷的存在可以将质子穿透能垒显着降低至中性情况的三分之一左右，使其成为设计下一代高温质子交换膜的可行选择。通过调整同构置换，可以改变单层粘土材料的质子传导率。
更新日期：2022-04-01
中文翻译：
电荷诱导质子穿透二维粘土材料
二维粘土材料具有优异的热稳定性和化学稳定性，其原子结构中固有的管状通道为质子穿透提供了可能的途径。因此，它们有望克服缺乏可以在 100-500°C 之间传导质子的材料的问题。在这项工作中，我们使用广泛的ab initio研究了具有不同同构取代和抗衡离子的二维粘土纳米片的详细质子穿透机制分子动力学和元动力学模拟。我们发现，负表面电荷的存在可以将质子穿透能垒显着降低至中性情况的三分之一左右，使其成为设计下一代高温质子交换膜的可行选择。通过调整同构置换，可以改变单层粘土材料的质子传导率。
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