我國科學(xué)家開發(fā)首例溫和條件下超快氫負(fù)離子導(dǎo)體

新華社北京4月6日電（記者張泉、王瑩）氫負(fù)離子導(dǎo)體在氫負(fù)離子電池、燃料電池、電化學(xué)轉(zhuǎn)化池等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景，未來有望引領(lǐng)一系列能源技術(shù)革新。我國科學(xué)家日前通過機(jī)械化學(xué)方法，在氫化鑭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(fù)離子導(dǎo)體。

記者從中國科學(xué)院獲悉，該研究由中科院大連化物所陳萍研究員、曹湖軍副研究員團(tuán)隊(duì)完成，相關(guān)成果5日在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表。

氫負(fù)離子和電子在晶格畸變氫化鑭中傳導(dǎo)示意圖。（中科院大連化物所供圖）

氫負(fù)離子是一種具有很大開發(fā)潛力的氫載體和能量載體，氫負(fù)離子導(dǎo)體是在一定條件下具有優(yōu)異氫負(fù)離子傳導(dǎo)能力的材料。此領(lǐng)域研究面臨材料體系少、操作溫度高等問題，是潔凈能源領(lǐng)域的前沿課題。

“優(yōu)質(zhì)氫負(fù)離子導(dǎo)體需要兩種特性‘兼得’，即具備優(yōu)異氫負(fù)離子傳導(dǎo)能力的同時(shí)具備極低的電子電導(dǎo)。”陳萍介紹，早在20世紀(jì)，氫化鑭就被發(fā)現(xiàn)具有快速的氫遷移能力，但電子電導(dǎo)很高。近年來，科研人員往氫化鑭晶格中引入氧以抑制其電子傳導(dǎo)，但氧的引入也同時(shí)顯著阻礙了氫負(fù)離子的傳導(dǎo)。

陳萍、曹湖軍團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地采用機(jī)械球磨法，通過撞擊和剪切力，造成氫化鑭晶格的畸變，形成了大量納米微晶和晶格缺陷。這些畸變可以顯著抑制電子傳導(dǎo)，使電子電導(dǎo)率相比結(jié)晶態(tài)良好的氫化鑭下降5個(gè)數(shù)量級(jí)以上，同時(shí)對(duì)氫負(fù)離子傳導(dǎo)的干擾并不顯著，從而獲得了優(yōu)異的氫負(fù)離子傳導(dǎo)特性。

氫負(fù)離子導(dǎo)體潛在的應(yīng)用場景。（中科院大連化物所供圖）

更為重要的是，此項(xiàng)研究實(shí)現(xiàn)了氫負(fù)離子在溫和條件下（零下40攝氏度至80攝氏度）的超快傳導(dǎo)。此前的研究中，氫負(fù)離子導(dǎo)體只能在300攝氏度左右實(shí)現(xiàn)超快傳導(dǎo)。此外，團(tuán)隊(duì)還首次實(shí)現(xiàn)了室溫全固態(tài)氫負(fù)離子電池的放電。

“許多已知的氫化物材料都是離子—電子混合導(dǎo)體，團(tuán)隊(duì)建立的這種材料工程策略具有一定的普適性，有望助力氫負(fù)離子導(dǎo)體研究取得更多突破。”陳萍說。