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【科技前沿】

光明日?qǐng)?bào)北京4月5日電記者齊芳從中國(guó)科學(xué)院獲悉，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”）陳萍研究員、曹湖軍副研究員團(tuán)隊(duì)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。成果發(fā)表在4月5日出版的國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上。

研究中，科研人員實(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)，而此前報(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)。陳萍說：“在-40℃時(shí)，該氫負(fù)離子導(dǎo)體的電導(dǎo)率高達(dá)102S/cm，活化能僅為0.12eV。此外，我們團(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?！?/p>

氫負(fù)離子具有強(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。

但這類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——早在20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，科研人員嘗試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)，但氧的引入也同時(shí)顯著阻礙了氫負(fù)離子的傳導(dǎo)。

為了解決這些障礙，研究團(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，可在“震”住電子轉(zhuǎn)移的同時(shí)，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。

“許多已知的氫化物材料都是離子—電子混合導(dǎo)體，”陳萍介紹，“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?！?/p>

來源：光明日?qǐng)?bào)

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責(zé)任編輯：馮崢

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