科技日報(bào)記者 陸成寬
我國科學(xué)家在室溫下實(shí)現(xiàn)超快氫負(fù)離子傳導(dǎo)！中科院大連化學(xué)物理研究所陳萍研究員、曹湖軍副研究員團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的材料設(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|晶格中故意制造大量的缺陷和納米微晶，研發(fā)出首個室溫環(huán)境下超快氫負(fù)離子導(dǎo)體。相關(guān)研究成果4月5日發(fā)表于《自然》雜志。
(資料圖片)
在某些條件下，一些材料經(jīng)歷有序—無序相變，而轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈唠x子電導(dǎo)率和低遷移能壘的超離子態(tài)。在這種狀態(tài)下，離子會像在液體中一樣快速地穿過材料的剛性晶體結(jié)構(gòu)。
這種現(xiàn)象有利于化學(xué)能量的轉(zhuǎn)換，因?yàn)樗试S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(tài)材料能在室溫環(huán)境條件下達(dá)到這種狀態(tài)。
“在室溫環(huán)境下表現(xiàn)出超離子傳導(dǎo)的氫負(fù)離子導(dǎo)體材料，將為構(gòu)建全新的全固態(tài)氫化物電池、燃料電池和電化學(xué)轉(zhuǎn)化池提供巨大的機(jī)遇。”陳萍介紹。
氫負(fù)離子具有強(qiáng)還原性和高氧化還原電勢，已經(jīng)成為研究者們關(guān)注的重點(diǎn)。“近年來，科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)了幾種氫負(fù)離子導(dǎo)體，比如堿土金屬氫化物和稀土金屬氧氫化物，它們以能夠?qū)崿F(xiàn)快速氫遷移而聞名。”陳萍說，然而它們都不能在室溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)超離子傳導(dǎo)。
此次，研究人員創(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，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(dǎo)，使其電子電導(dǎo)率相比結(jié)晶良好的氫化鑭下降5個數(shù)量級以上。
更重要的是，材料結(jié)晶度的改變對氫負(fù)離子傳導(dǎo)的干擾并不顯著，可以在“震”住電子轉(zhuǎn)移的同時，仍舊“維持”氫負(fù)離子的快速傳輸，最終獲得了優(yōu)異的氫負(fù)離子傳導(dǎo)特性。
研究團(tuán)隊(duì)集體照（大連化物所供圖）
在以往的研究中，氫負(fù)離子導(dǎo)體只能在300℃左右實(shí)現(xiàn)超快傳導(dǎo)。而這項(xiàng)研究在-40℃至80℃的溫和條件下實(shí)現(xiàn)了超快離子傳導(dǎo)。同時，研究人員還首次實(shí)現(xiàn)了室溫全固態(tài)氫負(fù)離子電池的放電，證實(shí)了這種全新電池的可行性。
談起超快氫負(fù)離子導(dǎo)體與超導(dǎo)體的區(qū)別，陳萍介紹，超導(dǎo)是零電阻傳遞電子的導(dǎo)體，而超快氫負(fù)離子導(dǎo)體傳遞的是氫負(fù)離子。
“許多已知的氫化物材料都是離子—電子混合導(dǎo)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(fù)離子導(dǎo)體的研發(fā)打開局面。《自然》審稿人評價(jià)，該工作展示了一種非常有趣且新穎的研究方法。
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