世界短訊！我國(guó)科研人員開發(fā)首例溫和條件下超快氫負(fù)離子導(dǎo)體

(相關(guān)資料圖)

新京報(bào)訊（記者張璐）近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（以下簡(jiǎn)稱“大連化物所”）科研人員提出了一種全新材料設(shè)計(jì)研發(fā)策略，通過機(jī)械化學(xué)方法在稀土氫化物——?dú)浠|（LaHx）晶格中引入大量的缺陷和晶界，開發(fā)了首例溫和條件下超快氫負(fù)離子導(dǎo)體。相關(guān)成果于4月5日發(fā)表在《自然》雜志上。

氫負(fù)離子（H－）具有強(qiáng)還原性及高氧化還原電勢(shì)等特點(diǎn)，是一種頗具潛力的氫載體和能量載體。氫負(fù)離子導(dǎo)體是在一定條件下具有優(yōu)異氫負(fù)離子傳導(dǎo)能力的材料，其在氫負(fù)離子電池、燃料電池、電化學(xué)轉(zhuǎn)化池、膜反應(yīng)器、氫傳感器等能源及電化學(xué)轉(zhuǎn)化器件中具有廣闊的應(yīng)用前景，有望在未來實(shí)現(xiàn)一系列技術(shù)革新。目前僅有極少的國(guó)外團(tuán)隊(duì)專注此研究，該項(xiàng)研究面臨著材料體系少、操作溫度高、溫和條件下離子電導(dǎo)率低等問題，是潔凈能源領(lǐng)域的前沿課題。

早在上世紀(jì)的變色玻璃研究中，研究者就發(fā)現(xiàn)氫化鑭具有快速的氫遷移能力，但其電子電導(dǎo)也很高。近幾年，科研人員往氫化鑭晶格中引入氧，使其形成氧氫化物以抑制其電子傳導(dǎo)，但氧的引入顯著阻礙了氫負(fù)離子的傳導(dǎo)。

此次工作中，大連化物所陳萍研究員、曹湖軍副研究員團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地采用機(jī)械球磨制備方法，通過撞擊和剪切力，造成氫化鑭晶格的畸變，破壞了晶格的周期性，形成了大量的納米微晶和晶格缺陷。這些晶格缺陷可以顯著抑制電子傳導(dǎo)，其電子電導(dǎo)率相比結(jié)晶態(tài)的氫化鑭下降5個(gè)數(shù)量級(jí)以上。尤為重要的是，材料結(jié)晶度的改變對(duì)氫負(fù)離子傳導(dǎo)的干擾并不顯著，仍舊“維持”氫負(fù)離子通過協(xié)同遷移機(jī)制快速傳輸，最終獲得了優(yōu)異的氫負(fù)離子傳導(dǎo)特性。

此前報(bào)道的氫負(fù)離子導(dǎo)體只能在300℃左右實(shí)現(xiàn)超快傳導(dǎo)，而此項(xiàng)工作實(shí)現(xiàn)了在溫和條件下（-40℃至80℃溫度范圍內(nèi)）的超快離子傳導(dǎo)，在-40℃時(shí)，該氫負(fù)離子導(dǎo)體的電導(dǎo)率高達(dá)10-2 S/cm，活化能僅為0.12eV。此外，團(tuán)隊(duì)還首次實(shí)現(xiàn)了室溫全固態(tài)氫負(fù)離子電池的放電，證實(shí)了這種全新的二次電池的可行性。

大連化物所研究員陳萍介紹，“許多已知的氫化物材料都是離子—電子混合導(dǎo)體，我們建立的這種材料結(jié)構(gòu)調(diào)變的方法具有一定的普適性，有望為氫負(fù)離子導(dǎo)體的研發(fā)打開局面。”

陳萍團(tuán)隊(duì)聚焦金屬氫化物的研究已超過20年，從最初的儲(chǔ)氫材料研究到后來的化學(xué)固氮，再到如今的氫負(fù)離子導(dǎo)體，團(tuán)隊(duì)通過拓展完善金屬氫化物的特性和功能范圍，讓這一獨(dú)特材料在多個(gè)領(lǐng)域不斷地展現(xiàn)出新的潛力。

氫負(fù)離子導(dǎo)體潛在的應(yīng)用場(chǎng)景。圖源：中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所

編輯 樊一婧

校對(duì) 趙琳