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氫負離子和電子在晶格畸變氫化鑭中傳導示意圖。中國科學院大連化學物理研究所供圖

近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員陳萍、副研究員曹湖軍團隊研制出首例室溫超快氫負離子導體，并提出了抑制混合導體中電子電導的新策略。團隊采用機械化學合成方法在稀土氫化物——氫化鑭（LaHx）中制造晶格畸變，產(chǎn)生大量的缺陷和晶界，使之在-40℃至80℃溫度區(qū)間呈現(xiàn)超快氫負離子傳輸?shù)臓顟B(tài)。相關成果4月5日發(fā)表于《自然》。審稿人認為該工作展示了一種非常有趣且新穎的研究方法。

氫負離子是一種頗為神秘的單價負離子。當氫原子得到一個外來電子時，就會轉變成氫負離子。氫負離子極化率高，具有強還原性及高氧化還原電勢。由金屬陽離子與氫負離子化合而成的氫化物是一種很具潛力的載氫載能體。

與目前研究的熱點離子導體材料（如鋰離子、鈉離子和質子導體）類似，氫負離子導體是一種可以快速傳導氫負離子的固體材料，其應用潛力巨大。但氫負離子尺寸較大，在晶格中遷移困難，加上氫負離子極化率高，容易在傳輸中將電子留在晶格內，造成材料電子電導較大。

“5年前在分析一次實驗結果時，我們發(fā)現(xiàn)我們的材料可在溫和條件下進行H-D同位素交換反應，這一有趣現(xiàn)象催生了氫負離子傳導這一課題的設置?！标惼几嬖V《中國科學報》。

幾經(jīng)周折，研究團隊將材料體系鎖定在稀土金屬氫化物上。早在上世紀的變色玻璃研究中，學者們就發(fā)現(xiàn)該類物質如LaHx具有快速的氫遷移能力，但它卻是一種離子-電子混合導體，電子電導較大，阻礙了其作為離子導體的開發(fā)?！敖谟醒芯咳藛T向LaHx晶格中引入氧使其形成氧氫化物，可有效抑制其電子傳導。但氧的引入降低了氫負離子的傳導能力?！辈芎娊榻B。

針對這一問題，研究團隊開創(chuàng)了一種不同的策略——制造晶格畸變抑制電子電導。而機械球磨法正是達到此目的的有效手段。科研人員將LaHx顆粒放入機械球磨機中進行高速球磨。經(jīng)過這種高速“洗禮”，LaHx顆粒發(fā)生了明顯的變形，研究人員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，“鎮(zhèn)”住了電子傳遞，使其電子電導率相比結晶良好的LaHx下降5個數(shù)量級以上。

更為重要的是，這種晶格畸變對氫負離子傳導的干擾并不顯著，氫負離子依然可以通過協(xié)同遷移機制快速傳輸：“變形”后的LaHx材料在-40℃時氫負離子電導率高達10-2S/cm，活化能僅為0.12eV。此前文獻報道的材料只有在300℃左右才能實現(xiàn)超快氫負離子傳導。

此外，團隊經(jīng)過大量嘗試，組裝了以“變形”的LaHx為固體電解質、以TiH2和Ti為電極的固態(tài)氫負離子電池，并首次實現(xiàn)了室溫放電，證實了這種全新的二次離子電池的可行性。

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