中科院大連化學物理研究所陳萍研究員、曹湖軍副研究員團隊提出了一種全新的材料設計研發(fā)策略，通過機械化學方法，在稀土氫化物——氫化鑭晶格中故意制造大量的缺陷和納米微晶，研發(fā)出首個室溫環(huán)境下超快氫負離子導體。相關(guān)研究成果4月5日發(fā)表于《自然》雜志。

(相關(guān)資料圖)

在某些條件下，一些材料經(jīng)歷有序—無序相變，而轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈唠x子電導率和低遷移能壘的超離子態(tài)。在這種狀態(tài)下，離子會像在液體中一樣快速地穿過材料的剛性晶體結(jié)構(gòu)。

這種現(xiàn)象有利于化學能量的轉(zhuǎn)換，因為它允許離子在沒有液體或軟膜分離電極的情況下移動。然而，很少有固態(tài)材料能在室溫環(huán)境條件下達到這種狀態(tài)。

“在室溫環(huán)境下表現(xiàn)出超離子傳導的氫負離子導體材料，將為構(gòu)建全新的全固態(tài)氫化物電池、燃料電池和電化學轉(zhuǎn)化池提供巨大的機遇?！标惼冀榻B。

氫負離子具有強還原性和高氧化還原電勢，已經(jīng)成為研究者們關(guān)注的重點?！敖陙?，科學家已經(jīng)開發(fā)了幾種氫負離子導體，比如堿土金屬氫化物和稀土金屬氧氫化物，它們以能夠?qū)崿F(xiàn)快速氫遷移而聞名?！标惼颊f，然而它們都不能在室溫環(huán)境下實現(xiàn)超離子傳導。

此次，研究人員創(chuàng)新地采用機械球磨制備方法，通過撞擊和剪切力，造成氫化鑭晶格的畸變，形成了大量的納米微晶和缺陷。這些晶格缺陷可以顯著抑制氫化鑭的電子傳導，使其電子電導率相比結(jié)晶良好的氫化鑭下降5個數(shù)量級以上。

更重要的是，材料結(jié)晶度的改變對氫負離子傳導的干擾并不顯著，可以在“震”住電子轉(zhuǎn)移的同時，仍舊“維持”氫負離子的快速傳輸，最終獲得了優(yōu)異的氫負離子傳導特性。

在以往的研究中，氫負離子導體只能在300℃左右實現(xiàn)超快傳導。而這項研究在-40℃至80℃的溫和條件下實現(xiàn)了超快離子傳導。同時，研究人員還首次實現(xiàn)了室溫全固態(tài)氫負離子電池的放電，證實了這種全新電池的可行性。

談起超快氫負離子導體與超導體的區(qū)別，陳萍介紹，超導是零電阻傳遞電子的導體，而超快氫負離子導體傳遞的是氫負離子。

“許多已知的氫化物材料都是離子—電子混合導體?！标惼颊f，我們建立的這種材料工程策略具有一定的普適性，有望為氫負離子導體的研發(fā)打開局面?！蹲匀弧穼徃迦嗽u價，該工作展示了一種非常有趣且新穎的研究方法。

編輯：任彥逸