近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所氫能與先進材料研究部復(fù)合氫化物材料化學(xué)研究組研究員陳萍、副研究員曹湖軍團隊提出了一種全新材料設(shè)計研發(fā)策略，通過機械化學(xué)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(dǎo)體。
氫負離子（H-）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(dǎo)體是在一定條件下具有優(yōu)異氫負離子傳導(dǎo)能力的材料，其在二次電池、燃料電池、電化學(xué)轉(zhuǎn)化池、膜反應(yīng)器、氫傳感器等能源儲存與轉(zhuǎn)化器件中具有廣闊的應(yīng)用前景，有望在未來實現(xiàn)一系列的技術(shù)革新。目前，僅有極少的國外團隊專注此研究，該項研究面臨著材料體系少、操作溫度高、溫和條件下離子電導(dǎo)率低等問題，是潔凈能源領(lǐng)域的前沿課題。
早在上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(dǎo)也很高。近幾年，科研人員往氫化鑭晶格中引入氧大幅抑制了其電子傳導(dǎo)，但氧的引入也同時顯著阻礙了氫負離子的傳導(dǎo)。
本工作中，團隊創(chuàng)新地采用機械化學(xué)球磨法，通過碰撞和剪切力，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。這些缺陷可以顯著抑制電子傳導(dǎo)，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。尤為重要的是，晶格畸變對氫負離子傳導(dǎo)的干擾并不顯著，可在“震”住電子轉(zhuǎn)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(dǎo)特性。
此前報道的氫負離子導(dǎo)體只能在300 左右實現(xiàn)超快傳導(dǎo)，而本工作實現(xiàn)了在溫和條件下（-40至80 溫度范圍內(nèi)）的超快離子傳導(dǎo)，在-40 時，該材料的氫負離子電導(dǎo)率就高達10-2S/cm，活化能僅為0.12eV。此外，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。
“許多已知的氫化物材料都是離子—電子混合導(dǎo)體，”陳萍介紹道，“我們建立的這種材料結(jié)構(gòu)調(diào)變的方法具有一定的普適性，有望為氫負離子導(dǎo)體的研發(fā)打開局面?！?/p>
本工作中的理論計算和中子衍射實驗分別與廈門大學(xué)吳安安副教授和中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所夏元華副研究員合作完成。
陳萍團隊聚焦金屬氫化物的研究已超過20年，從最初的儲氫材料研究（Nature，2002；Nat. Mater.，2008；Acc. Mater. Res.，2021）到后來的化學(xué)固氮（Nat. Chem.，2017；Nat. Energy，2018；Nat. Catal.，2021；Acc. Chem. Res.，2021），再到如今的氫負離子導(dǎo)體，團隊通過拓展完善金屬氫化物的特性和功能范圍，讓這一獨特材料在多個領(lǐng)域不斷地展現(xiàn)出新的潛力。
相關(guān)成果以“Deforming Lanthanum Trihydride for Superionic Conduction”為題，于北京時間4月5日發(fā)表在《自然》（Nature）上，該工作的共同第一作者是大連化物所博士后張煒進和博士研究生崔繼榮。審稿人評價該工作展示了一種非常有趣且新穎的研究方法。上述工作得到了科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中科院青促會、遼寧省興遼英才計劃等項目的資助。
