作者:孙丹宁 来源: 中国科学报 发布时间:2023/4/6 9:07:30
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突破!首例室温超快氢负离子导体问世

氢负离子和电子在晶格畸变氢化镧中传导示意图。中国科学院大连化学物理研究所供图

本报讯(见习记者孙丹宁)近日,中国科学院大连化学物理研究所研究员陈萍、副研究员曹湖军团队研制出首例室温超快氢负离子导体,并提出了抑制混合导体中电子电导的新策略。团队采用机械化学合成方法在稀土氢化物——氢化镧(LaHx)中制造晶格畸变,产生大量的缺陷和晶界,使之在-40℃至80℃温度区间呈现超快氢负离子传输的状态。相关成果4月5日发表于《自然》。审稿人认为该工作展示了一种非常有趣且新颖的研究方法。

氢负离子是一种颇为神秘的单价负离子。当氢原子得到一个外来电子时,就会转变成氢负离子。氢负离子极化率高,具有强还原性及高氧化还原电势。由金属阳离子与氢负离子化合而成的氢化物是一种很具潜力的载氢载能体。

与目前研究的热点离子导体材料(如锂离子、钠离子和质子导体)类似,氢负离子导体是一种可以快速传导氢负离子的固体材料,其应用潜力巨大。但氢负离子尺寸较大,在晶格中迁移困难,加上氢负离子极化率高,容易在传输中将电子留在晶格内,造成材料电子电导较大。

“5年前在分析一次实验结果时,我们发现我们的材料可在温和条件下进行H-D同位素交换反应,这一有趣现象催生了氢负离子传导这一课题的设置。”陈萍告诉《中国科学报》。

几经周折,研究团队将材料体系锁定在稀土金属氢化物上。早在上世纪的变色玻璃研究中,学者们就发现该类物质如LaHx具有快速的氢迁移能力,但它却是一种离子-电子混合导体,电子电导较大,阻碍了其作为离子导体的开发。“近期有研究人员向LaHx晶格中引入氧使其形成氧氢化物,可有效抑制其电子传导。但氧的引入降低了氢负离子的传导能力。”曹湖军介绍。

针对这一问题,研究团队开创了一种不同的策略——制造晶格畸变抑制电子电导。而机械球磨法正是达到此目的的有效手段。科研人员将LaHx颗粒放入机械球磨机中进行高速球磨。经过这种高速“洗礼”,LaHx颗粒发生了明显的变形,研究人员在高倍率的透射电镜下观察到了晶格的畸变和大量的缺陷。这种畸变和缺陷破坏了晶格的长程有序排列,“镇”住了电子传递,使其电子电导率相比结晶良好的LaHx下降5个数量级以上。

更为重要的是,这种晶格畸变对氢负离子传导的干扰并不显著,氢负离子依然可以通过协同迁移机制快速传输:“变形”后的LaHx材料在-40℃时氢负离子电导率高达10-2S/cm,活化能仅为0.12eV。此前文献报道的材料只有在300℃左右才能实现超快氢负离子传导。

此外,团队经过大量尝试,组装了以“变形”的LaHx为固体电解质、以TiH2和Ti为电极的固态氢负离子电池,并首次实现了室温放电,证实了这种全新的二次离子电池的可行性。

相关论文信息:

https://doi.org/10.1038/s41586-023-05815-0

《中国科学报》 (2023-04-06 第1版 要闻)
 
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