氧化钛晶体及其表面单原子空位
澳门大学应用物理及材料工程研究院助理教授孙鹏展团队参与开发了一种新型超薄多孔质子交换膜材料，将在燃料电池等氢基技术领域提供耐高温且兼具高质子传导率及完美选择性的新型质子交换膜，解决现有质子交换膜高温下易脱水失效的问题。相关研究已在国际知名期刊《自然-通讯》（Nature Communications）发表。
二维材料被认为是新一代膜分离技术的候选薄膜材料，与传统三维材料不同，这些原子级别厚度的薄膜一旦在基面内构建原子级精度的孔道，就能对气体、液体和各种离子进行超快速、高选择性的筛选。例如，完美的石墨烯晶体及单层六方氮化硼等少数二维材料对于所有的原子和分子都是不透的，而唯独质子可以轻松穿过。然而，这些材料质子传导率仍然较低（室温下<1 S cm-2），无法满足工业领域的实际需求（>5 S cm-2），同时难以在中高温区（200-500℃）稳定工作。因此，开发兼具高质子传导率、完美质子选择性和中高温区稳定性的新型二维质子传导材料具有重要意义。
是次研究以“通过埃级多孔氧化钛实现高质子传导率（High proton conductivity through angstrom-porous titania）”为题，开创性地采用埃级多孔氧化钛二维晶体作为超薄质子交换膜。研究团队通过层间阳离子交换结合液相剥离法制备氧化钛二维晶体（图1，a-b），同时在其表面引入高密度、尺寸分布均匀的埃尺度原子孔，为高密度原子级孔道的精确构建提供新思路。
是次研究立足于微纳器件精密加工及测试技术，深入探索了原子尺度限域条件下不同气体、离子的跨膜输运特性。研究发现，该薄膜可完全阻止氦原子通过，并在质子和其他小尺寸离子之间表现出高度的选择性（图2，c）。其质子传导率高达（2.0±0.8 S cm-2），超出石墨烯100倍之多（图2，d）。同时，该材料在300℃高温下可以长时间保持结构稳定，质子传导率随着温度的升高呈指数级增长，并在200℃时达到100 S cm-2，比商业化标准质子传导膜Nafion 117高10倍。此外，该材料可通过逐层静电组装等技术实现大规模组装以形成高品质薄膜，用于工业化大规模应用。
该研究由澳大团队联合大连理工大学、英国曼彻斯特大学的团队共同开发，第一作者为澳大应用物理及材料工程研究院博士后研究员冀宇。该研究得到了澳门大学（檔案编号：SRG2022-00053-IAPME、MYRG-GRG2023-00014-IAPME-UMDF）、国家自然科学基金委员会优秀青年科学基金项目（港澳）（檔案编号：52322319）、澳门特别行政区科学技术发展基金（檔案编号：0063/2023/RIA1）等项目的支援。全文可浏览：https://doi.org/10.1038/s41467-024-54544-z
