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近日，中國科學(xué)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)研制出首例室溫超快氫負(fù)離子導(dǎo)體，并提出了抑制混合導(dǎo)體中電子電導(dǎo)的新策略。本工作中的理論計(jì)算和中子衍射實(shí)驗(yàn)分別與廈門大學(xué)副教授吳安安和中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所副研究員夏元華合作完成。

氫負(fù)離子是一種頗為“神秘”的單價負(fù)離子。當(dāng)氫原子得到一個外來電子時，就會轉(zhuǎn)變成氫負(fù)離子。氫負(fù)離子極化率高，具有強(qiáng)還原性及高氧化還原電勢。由金屬陽離子與氫負(fù)離子化合而成的氫化物是一種很具潛力的載氫載能體。氫負(fù)離子導(dǎo)體可以作為固態(tài)電解質(zhì)材料，用以構(gòu)建基于氫負(fù)離子的新型二次離子電池、燃料電池和電化學(xué)轉(zhuǎn)化池等，有望在潔凈能源存儲與利用中發(fā)揮積極的作用，前景十分迷人。

與目前研究的熱點(diǎn)離子導(dǎo)體材料，諸如鋰離子、鈉離子和質(zhì)子導(dǎo)體類似，氫負(fù)離子導(dǎo)體是一種可以快速傳導(dǎo)氫負(fù)離子的固體材料。其應(yīng)用潛力巨大，有望在二次離子電池、燃料電池、電化學(xué)轉(zhuǎn)化池、膜反應(yīng)器等方面實(shí)現(xiàn)一系列技術(shù)革新，是能源儲存和轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的前沿課題。然而氫負(fù)離子尺寸較大，在晶格中遷移困難。加上氫負(fù)離子極化率高，容易在傳輸中將電子留在晶格，造成材料電子電導(dǎo)較大這一不利現(xiàn)象，研究極具挑戰(zhàn)性。

早在上世紀(jì)的變色玻璃研究中，就有學(xué)者發(fā)現(xiàn)稀土金屬氫化物如LaH_x具有快速的氫遷移能力，但它卻是一種離子-電子混合導(dǎo)體，其電子電導(dǎo)較大，阻礙了其作為離子導(dǎo)體的開發(fā)。近期，有研究人員向LaH_x晶格中引入氧使其形成氧氫化物，可有效地抑制其電子傳導(dǎo)。然而氧的引入也降低了H^-的傳導(dǎo)能力。

針對H^-離子導(dǎo)體研究所遇到的困境，該研究團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)了一種不同的策略——制造晶格畸變抑制電子電導(dǎo)。而機(jī)械球磨法正是達(dá)到此目的的有效手段。機(jī)械球磨是一種操作相對簡單的實(shí)驗(yàn)方法，通過在密閉容器里放置材料和大小不一的鋼球，在高速旋轉(zhuǎn)下，材料、容器壁和鋼球之間發(fā)生強(qiáng)烈的撞擊、剪切和摩擦作用，可以將材料粉碎乃至造成晶格畸變。該方法工藝簡單、環(huán)境污染小、應(yīng)用前景良好。

在此次研究中，科研人員將LaH_x顆粒放入機(jī)械球磨機(jī)中進(jìn)行高速球磨。經(jīng)過這種高速的“洗禮”，LaH_x顆粒發(fā)生了明顯的變形：在高倍率的透射電鏡下觀察到了晶格的畸變和大量的缺陷。這種畸變和缺陷破壞了晶格的長程有序排列，“震”住了電子傳遞，使其電子電導(dǎo)率相比結(jié)晶良好的LaH_x下降5個數(shù)量級以上。

團(tuán)隊(duì)經(jīng)過大量的嘗試，組裝了由“變形“的LaH_x為固體電解質(zhì)，以TiH₂和Ti為電極的固態(tài)氫負(fù)離子電池，并首次實(shí)現(xiàn)了室溫放電。這一令人鼓舞的結(jié)果證實(shí)了這種全新的二次離子電池的可行性。

該研究團(tuán)隊(duì)20余年一直致力于氫化物的研究，，探索、理解這一獨(dú)特材料的物性、挖掘其特殊功能是他們的追求。接下來，團(tuán)隊(duì)還將進(jìn)一步開發(fā)、優(yōu)化氫負(fù)離子導(dǎo)體材料、探索其在二次離子電池和電化學(xué)轉(zhuǎn)化池方面的應(yīng)用。

(資料來源：中國科學(xué)報(bào))

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