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【科技前沿】
光明日報北京4月5日電記者齊芳從中國科學院獲悉，中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱“大連化物所”）陳萍研究員、曹湖軍副研究員團隊提出了一種全新材料設計研發(fā)策略，通過機械化學方法在稀土氫化物——氫化鑭（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離子導體。成果發(fā)表在4月5日出版的國際學術期刊《自然》雜志上。
研究中，科研人員實現(xiàn)了在溫和條件下（-40至80℃溫度范圍內）的超快離子傳導，而此前報道的氫負離子導體只能在300℃左右實現(xiàn)超快傳導。陳萍說：“在-40℃時，該氫負離子導體的電導率高達102S/cm，活化能僅為0.12eV。此外，我們團隊還首次實現(xiàn)了室溫全固態(tài)氫負離子電池的放電，證實了這種全新的二次電池的可行性?！?/p>
氫負離子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。氫負離子導體是在一定條件下具有優(yōu)異氫負離子傳導能力的材料，其在氫負離子電池、燃料電池、電化學轉化池、膜反應器、氫傳感器等能源及電化學轉化器件中具有廣闊的應用前景，有望在未來實現(xiàn)一系列技術革新。
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率低等問題——早在20世紀的變色玻璃研究中，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，但氧的引入也同時顯著阻礙了氫負離子的傳導。
為了解決這些障礙，研究團隊創(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，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，其電子電導率相比結晶態(tài)的氫化鑭下降5個數(shù)量級以上。尤為重要的是，材料結晶度的改變對氫負離子傳導的干擾并不顯著，可在“震”住電子轉移的同時，仍舊“維持”氫負離子通過協(xié)同遷移機制快速傳輸，最終獲得了優(yōu)異的氫負離子傳導特性。
“許多已知的氫化物材料都是離子—電子混合導體，”陳萍介紹，“我們建立的這種材料結構調變的方法具有一定的普適性，有望為氫負離子導體的研發(fā)打開局面?！?/p>
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