新闻中心

AG首批取得了特种设备制造许可证和“国家安全级企业”评审,实现了省级企业管理、现场管理达标,产品多次荣获山东省科技成果奖......

物理所等发现无障碍质子跨膜输运机制

作者:AG  来源:AG  时间:2019-12-04 10:21  点击:

  作为国家在科学技术方面的最高学术机构和全国自然科学与高新技术的综合研究与发展中心,建院以来,中国科学院时刻牢记使命,与科学共进,与祖国同行,以国家富强、人民幸福为己任,人才辈出,硕果累累,为我国科技进步、经济社会发展和国家安全做出了不可替代的重要贡献。/ 更多简介 +

  中国科学技术大学(简称“中科大”)于1958年由中国科学院创建于北京,1970年学校迁至安徽省合肥市。中科大坚持“全院办校、所系结合”的办学方针,是一所以前沿科学和高新技术为主、兼有特色管理与人文学科的研究型大学。

  中国科学院大学(简称“国科大”)始建于1978年,其前身为中国科学院研究生院,2012年更名为中国科学院大学。国科大实行“科教融合”的办学体制,与中国科学院直属研究机构在管理体制、师资队伍、培养体系、科研工作等方面共有、共治、共享、共赢,是一所以研究生教育为主的独具特色的研究型大学。

  上海科技大学(简称“上科大”),由上海市人民政府与中国科学院共同举办、共同建设,2013年经教育部正式批准。上科大秉持“服务国家发展战略,培养创新创业人才”的办学方针,实现科技与教育、科教与产业、科教与创业的融合,是一所小规模、高水平、国际化的研究型、创新型大学。

  分子筛对于质子交换膜、水纯化淡化和气体分离都有着重要的意义。二维材料凭借其超薄的厚度和良好的力学性能,已经在分子筛应用中展现出了优越的分子输运和筛选潜能。比如石墨烯、氧化石墨烯等二维材料的质子输运性能已经在实验上得到了证实。这些二维材料的质子输运性能依赖于材料上自然形成或者人为制造的纳米级的输运通道。但通常的氧化处理和离子束轰击等方式很难得到高密度并且尺寸均一的纳米通道,因此难以保证二维薄膜材料的质子选择性。纳米格子材料本征的纳米孔结构恰好为分子输运提供了极大的通道密度和良好的尺寸均一性。

  最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心表面物理国家重点实验室SF10组博士生徐纪玉等在研究员孟胜的指导下,与北京大学物理学院教授王恩哥、李新征合作,证明了二维纳米格子材料石墨二炔具有极好的质子导通性和选择性(图1)。相关成果近日发表在《自然-通讯》(Nature Communications)上。

  石墨二炔材料上合适的通道尺寸使膜两侧的水分子形成了跨膜的氢键结构,可以使得质子按照Grotthuss机理以结构扩散的形式实现跨膜质子输运(图2)。质子跨膜转移的自由能势垒为~2.4 kJ/mol, 几乎等于质子在体相水中转移的势垒(2.1 kJ/mol),因此石墨二炔薄膜对于质子输运几乎是透明的(图3)。同时,在外电场下的非平衡模拟计算得到了石墨二炔的质子导通率为0.6 S/cm,这是石墨烯质子导通率的10000倍,是商用质子交换膜Nafion的10倍。路径积分分子动力学计算表明质子的核量子效应可以进一步降低质子在石墨二炔界面处转移的势垒,从而加快质子转移的效率。

  相对于原子致密排列的石墨烯、h-BN等二维材料,石墨二炔上的纳米孔为质子转移提供了极小的转移势垒。进一步的细致分析表明石墨二炔的纳米孔对于甲醇和乙醇分子具有较大的转移势垒(100 kJ/mol),这证明石墨二炔材料具有优异的质子选择性。石墨二炔作为一种已经在实验上合成的二维材料,具有成为下一代的质子交换膜材料的巨大潜力。这为近年来兴起的用质子调控氧化物和二维材料物理化学性质提供了新的思路。

  图2. 质子跨膜传输的动态过程。质子按照Grotthuss机理以结构扩散的形式实现跨膜输运。

  图3. 质子跨膜转移(TM)的自由能势垒和质子在体相(bulk)水中转移的自由能势垒。虚线K时的kBT。

  分子筛对于质子交换膜、水纯化淡化和气体分离都有着重要的意义。二维材料凭借其超薄的厚度和良好的力学性能,已经在分子筛应用中展现出了优越的分子输运和筛选潜能。比如石墨烯、氧化石墨烯等二维材料的质子输运性能已经在实验上得到了证实。这些二维材料的质子输运性能依赖于材料上自然形成或者人为制造的纳米级的输运通道。但通常的氧化处理和离子束轰击等方式很难得到高密度并且尺寸均一的纳米通道,因此难以保证二维薄膜材料的质子选择性。纳米格子材料本征的纳米孔结构恰好为分子输运提供了极大的通道密度和良好的尺寸均一性。

  最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心表面物理国家重点实验室SF10组博士生徐纪玉等在研究员孟胜的指导下,与北京大学物理学院教授王恩哥、李新征合作,证明了二维纳米格子材料石墨二炔具有极好的质子导通性和选择性(图1)。相关成果近日发表在《自然-通讯》(Nature Communications)上。

  石墨二炔材料上合适的通道尺寸使膜两侧的水分子形成了跨膜的氢键结构,可以使得质子按照Grotthuss机理以结构扩散的形式实现跨膜质子输运(图2)。质子跨膜转移的自由能势垒为~2.4 kJ/mol, 几乎等于质子在体相水中转移的势垒(2.1 kJ/mol),因此石墨二炔薄膜对于质子输运几乎是透明的(图3)。同时,在外电场下的非平衡模拟计算得到了石墨二炔的质子导通率为0.6 S/cm,这是石墨烯质子导通率的10000倍,是商用质子交换膜Nafion的10倍。路径积分分子动力学计算表明质子的核量子效应可以进一步降低质子在石墨二炔界面处转移的势垒,从而加快质子转移的效率。

  相对于原子致密排列的石墨烯、h-BN等二维材料,石墨二炔上的纳米孔为质子转移提供了极小的转移势垒。进一步的细致分析表明石墨二炔的纳米孔对于甲醇和乙醇分子具有较大的转移势垒(100 kJ/mol),这证明石墨二炔材料具有优异的质子选择性。石墨二炔作为一种已经在实验上合成的二维材料,具有成为下一代的质子交换膜材料的巨大潜力。这为近年来兴起的用质子调控氧化物和二维材料物理化学性质提供了新的思路。

  该工作得到科技部重点研发计划(2016YFA0300902,2015CB921001)和国家自然科学基金委(11774396, 91850120, 11934004)的支持。

  图2. 质子跨膜传输的动态过程。质子按照Grotthuss机理以结构扩散的形式实现跨膜输运。

  图3. 质子跨膜转移(TM)的自由能势垒和质子在体相(bulk)水中转移的自由能势垒。虚线K时的kBT。

  生物物理所揭示内质网定位蛋白TMEM39A/SUSR2调控自噬活性的分子机制

AG机械有限公司

客服热线:400-618-5057

欢迎来访AG机械
欢迎您点击>>

手机扫描二维码!
企业信息尽收眼底

AG机械服务中心 AG机械人力资源
AG机械有限公司 版权所有 [赣ICP备18016579号-8] AG,亚游集团 技术支持:亚游集团联系我们网站地图