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我國科學(xué)家研發(fā)出首例室溫氫負(fù)離子導(dǎo)體
最后更新: 2023-04-06 08:20:124月5日，觀察者網(wǎng)從中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所獲悉，大連化學(xué)物理研究所氫能與先進材料研究部復(fù)合氫化物材料化學(xué)研究組（DNL1901組）陳萍研究員、曹湖軍副研究員團隊提出了一種全新材料設(shè)計研發(fā)策略，通過機械化學(xué)方法在稀土氫化物——氫化鑭（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。
氫負(fù)離子（H-）具有強還原性及高氧化還原電勢等特點，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，其在二次電池、燃料電池、電化學(xué)轉(zhuǎn)化池、膜反應(yīng)器、氫傳感器等能源儲存與轉(zhuǎn)化器件中具有廣闊的應(yīng)用前景，有望在未來實現(xiàn)一系列的技術(shù)革新。目前，僅有極少的國外團隊專注此研究，該項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大幅抑制了其電子傳導(dǎo)，但氧的引入也同時顯著阻礙了氫負(fù)離子的傳導(dǎo)。
本工作中，團隊創(chuàng)新地采用機械化學(xué)球磨法，通過碰撞和剪切力，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)晶良好的氫化鑭下降5個數(shù)量級以上。尤為重要的是，晶格畸變對氫負(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，仍舊“維持”氫負(fù)離子通過協(xié)同遷移機制快速傳輸，最終獲得了優(yōu)異的氫負(fù)離子傳導(dǎo)特性。
氫負(fù)離子電導(dǎo)率性能對比圖
此前報道的氫負(fù)離子導(dǎo)體只能在300℃左右實現(xiàn)超快傳導(dǎo)，而本工作實現(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，該材料的氫負(fù)離子電導(dǎo)率就高達(dá)10-2S/cm，活化能僅為0.12eV。此外，團隊還首次實現(xiàn)了室溫全固態(tài)氫負(fù)離子電池的放電，證實了這種全新的二次電池的可行性。
“許多已知的氫化物材料都是離子—電子混合導(dǎo)體，”陳萍介紹道，“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。”
- 原標(biāo)題：我國科學(xué)家研發(fā)出首例室溫氫負(fù)離子導(dǎo)體
- 責(zé)任編輯: 范維
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