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Theoretical Understanding of Mechanisms of Proton Exchange Membranes Made of 2D Crystals with Ultrahigh Selectivity
The Journal of Physical Chemistry Letters ( IF 4.8 ) Pub Date : 2017-08-30 00:00:00 , DOI: 10.1021/acs.jpclett.7b01999 Le Shi 1 , Ao Xu 1 , Guanhua Chen 2 , Tianshou Zhao 1
The Journal of Physical Chemistry Letters ( IF 4.8 ) Pub Date : 2017-08-30 00:00:00 , DOI: 10.1021/acs.jpclett.7b01999 Le Shi 1 , Ao Xu 1 , Guanhua Chen 2 , Tianshou Zhao 1
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Recent reports on proton conduction across pristine graphene and hexagonal boron nitride (h-BN) provide a new avenue for the design of proton exchange membranes. The uniform pores formed by the electron clouds of two-dimensional (2D) crystals can effectively block the undesired transportation of other species thus ultrahigh selectivity can be achieved. With the aid of first-principles calculations, we investigate the proton conduction process across six kinds of intact 2D crystals, namely graphene, h-BN, β12 boron sheet, χ3 boron sheet, phosphorene, and silicene. To clarify the proton conduction mechanism, three proton penetration modes are proposed: dissociation-penetration, adsorption-penetration, and direct penetration. Based on our calculation results, for graphene and h-BN without atomic defects, they are unlikely to provide sufficient proton conductivity at room temperature when no bias potential is applied. By contrast, the β12 boron sheet, χ3 boron sheets, and silicene exhibit relatively lower proton penetration energy barriers, making them prospective candidates for future proton exchange membrane applications.
中文翻译：
对具有超高选择性的2D晶体制成的质子交换膜机理的理论理解
质子传导穿过原始石墨烯和六方氮化硼（h-BN）的最新报道为质子交换膜的设计提供了新途径。由二维（2D）晶体的电子云形成的均匀孔可以有效地阻止其他物种的不希望的迁移，因此可以实现超高的选择性。与第一原理计算的帮助下，我们跨越6种完整2D晶体，调查与质子传导过程即石墨烯，的h-BN，β 12硼片，χ 3硼片，磷和硅。为了阐明质子传导机理，提出了三种质子渗透模式：解离-渗透，吸附-渗透和直接渗透。根据我们的计算结果，对于没有原子缺陷的石墨烯和h-BN，在不施加偏置电势的情况下，它们不太可能在室温下提供足够的质子传导性。相比之下，β 12硼片，χ 3个硼片，以及硅烯表现出相对较低的质子渗透能垒，使它们准候选人以供将来质子交换膜的应用程序。
更新日期：2017-08-30
中文翻译：
对具有超高选择性的2D晶体制成的质子交换膜机理的理论理解
质子传导穿过原始石墨烯和六方氮化硼（h-BN）的最新报道为质子交换膜的设计提供了新途径。由二维（2D）晶体的电子云形成的均匀孔可以有效地阻止其他物种的不希望的迁移，因此可以实现超高的选择性。与第一原理计算的帮助下，我们跨越6种完整2D晶体，调查与质子传导过程即石墨烯，的h-BN，β 12硼片，χ 3硼片，磷和硅。为了阐明质子传导机理，提出了三种质子渗透模式：解离-渗透，吸附-渗透和直接渗透。根据我们的计算结果，对于没有原子缺陷的石墨烯和h-BN，在不施加偏置电势的情况下，它们不太可能在室温下提供足够的质子传导性。相比之下，β 12硼片，χ 3个硼片，以及硅烯表现出相对较低的质子渗透能垒，使它们准候选人以供将来质子交换膜的应用程序。
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