Un groupe de recherche du NIMS dirigé par le chercheur principal associé Renzhi Ma et le directeur Takayoshi Sasaki de l'International Center for Materials Nanoarchitectonics (MANA) a découvert que les nanofeuillets à double couche d'hydroxyde (LDH) ont des ions hydroxyle (OH) exceptionnellement élevés ^- ) conductivité (jusqu'à 10 ^-1 S/cm). Ce OH ^- la conductivité est 10 à 100 fois supérieure à celle de l'OH conventionnel ^- conducteurs, et est le plus élevé même parmi les conducteurs anioniques inorganiques. Les nanofeuilles de LDH peuvent être applicables comme électrolytes solides pour les piles à combustible alcalines et les électrolyseurs à eau, entre autres appareils.

Dans les piles à combustible, qui attirent l'attention en tant que technologie de conversion d'énergie propre, ion hydrogène (H ⁺ ) conducteurs (par exemple, Nafion) sont généralement utilisés comme électrolytes. Cependant, l'utilisation de H ⁺ conducteurs nécessite pratiquement l'utilisation de catalyseurs à base de platine, parce que H ⁺ crée un environnement d'exploitation très acide. Il est possible d'employer OH ^- à la place de H ⁺ comme ion conducteur. Quand OH ^- est utilisé, l'environnement d'exploitation est alcalin, permettant l'utilisation d'autres éléments de métaux de transition moins chers, comme Fe, Co et Ni, comme catalyseurs, réduire les coûts de production. Le problème majeur de cette approche, cependant, est que la conductivité de OH ^- dans l'OH existant ^- conducteurs est faible (10 ^-3 à 10 ^-2 S/cm). La demande a été élevée pour développer des matériaux conducteurs pratiques avec une conductivité ionique d'environ 10 ^-1 S/cm, qui est comparable à la conductivité de H ⁺ conducteurs.

Dans cette étude, le groupe de recherche a exfolié les LDH en couches simples dans des réactions chimiques, et mesuré la conductivité ionique des nanofeuillets monocouches résultants. Les nanofeuillets ont démontré des conductivités très élevées, jusqu'à 10 ^-1 S/cm, à environ la température ambiante. La conductivité élevée peut être expliquée comme suit. Une grande quantité d'humidité s'adsorbe sur la surface des nanofeuilles monocouches, promouvoir OH ^- se déplacer librement en surface, améliorant ainsi considérablement les propriétés de transport d'ions des nanofeuillets. La conductivité atteinte dans cette étude est supérieure à celle de tout autre OH ^- conducteur signalé précédemment. En outre, la conductivité dans une direction parallèle à la surface de la nanofeuille (direction dans le plan) était de quatre à cinq ordres de grandeur supérieure à la conductivité dans une direction perpendiculaire à la surface (direction transversale). Par conséquent, la conductivité élevée observée peut être attribuée à la nanostructure bidimensionnelle ultime des feuilles.

Les résultats de cette étude peuvent constituer une étape majeure vers la réalisation de piles à combustible solide pilotées par OH ^- , qui sont attendus depuis de nombreuses années. Afin d'appliquer la conductivité ionique dans le plan supérieure identifiée dans cette étude aux couches d'électrolyte solide pour les piles à combustible et les électrolyseurs à eau, il sera essentiel de concevoir des structures de dispositifs capables d'exploiter pleinement cette conductivité.

Une partie de cette étude a été réalisée dans le cadre d'un projet intitulé "Function tuning by through morphology and structure control of low-dimensional hydroxyde nanostructures, " financé par les subventions MEXT pour la recherche scientifique (B).