我國研發出首個室溫超快氫負離子導體

陸成寬

科學導報訊 我國科學家在室溫下實現超快氫負離子傳導！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，研發出首個室溫環境下超快氫負離子導體。相關研究成果4月5日發表于《自然》雜志。

在某些條件下，一些材料經歷有序—無序相變，而轉變為具有高離子電導率和低遷移能壘的超離子態。在這種狀態下，離子會像在液體中一樣快速地穿過材料的剛性晶體結構。

這種現象有利于化學能量的轉換，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，很少有固態材料能在室溫環境條件下達到這種狀態。

“在室溫環境下表現出超離子傳導的氫負離子導體材料，將為構建全新的全固態氫化物電池、燃料電池和電化學轉化池提供巨大的機遇。”陳萍介紹。

氫負離子具有強還原性和高氧化還原電勢，已經成為研究者們關注的重點。“近年來，科學家已經開發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，它們以能夠實現快速氫遷移而聞名。”陳萍說，然而它們都不能在室溫環境下實現超離子傳導。

此次，研究人員創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晶良好的氫化鑭下降5個數量級以上。

更重要的是，材料結晶度的改變對氫負離子傳導的干擾并不顯著，可以在“震”住電子轉移的同時，仍舊“維持”氫負離子的快速傳輸，最終獲得了優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℃左右實現超快傳導。而這項研究在-40℃至80℃的溫和條件下實現了超快離子傳導。同時，研究人員還首次實現了室溫全固態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。”陳萍說，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打開局面。《自然》審稿人評價，該工作展示了一種非常有趣且新穎的研究方法。