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我国首个室温超快氢负离子导体研发成功！
2023年04月06日 13:13:25
来源：化工仪器网 作者：羊舌木 点击量：5384
近日，中国科学院大连化学物理研究所陈萍研究员、曹湖军副研究员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。
【化工仪器网 项目成果】近日，中国科学院大连化学物理研究所陈萍研究员、曹湖军副研究员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。本工作中的理论计算和中子衍射实验分别与厦门大学副教授吴安安和中国工程物理研究院核物理与化学研究所副研究员夏元华合作完成。
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。氢负离子导体可以作为固态电解质材料，用以构建基于氢负离子的新型二次离子电池、燃料电池和电化学转化池等，有望在洁净能源存储与利用中发挥积极的作用，前景十分迷人。
与目前研究的热点离子导体材料，诸如锂离子、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，有望在二次离子电池、燃料电池、电化学转化池、膜反应器等方面实现一系列技术革新，是能源储存和转化领域的前沿课题。然而氢负离子尺寸较大，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，造成材料电子电导较大这一不利现象，研究极具挑战性。
早在上世纪的变色玻璃研究中，就有学者发现稀土金属氢化物如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，其电子电导较大，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，可有效地抑制其电子传导。然而氧的引入也降低了H-的传导能力。
针对H-离子导体研究所遇到的困境，该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。机械球磨是一种操作相对简单的实验方法，通过在密闭容器里放置材料和大小不一的钢球，在高速旋转下，材料、容器壁和钢球之间发生强烈的撞击、剪切和摩擦作用，可以将材料粉碎乃至造成晶格畸变。该方法工艺简单、环境污染小、应用前景良好。
在此次研究中，科研人员将LaHx颗粒放入机械球磨机中进行高速球磨。经过这种高速的“洗礼”，LaHx颗粒发生了明显的变形：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，“震”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。
团队经过大量的尝试，组装了由“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。这一令人鼓舞的结果证实了这种全新的二次离子电池的可行性。
该研究团队20余年一直致力于氢化物的研究，探索、理解这一独特材料的物性、挖掘其特殊功能是他们的追求。接下来，团队还将进一步开发、优化氢负离子导体材料、探索其在二次离子电池和电化学转化池方面的应用。
(资料来源：中国科学报)
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