我国研发出首个室温超快氢负离子导体

科技日报记者 陆成宽

我国科学家在室温下实现超快氢负离子传导！中科院大连化学物理研究所陈萍研究员、曹湖军副研究员团队提出了一种全新的材料设计研发策略，通过机械化学方法，在稀土氢化物——氢化镧晶格中故意制造大量的缺陷和纳米微晶，研发出首个室温环境下超快氢负离子导体。相关研究成果4月5日发表于《自然》杂志。

在某些条件下，一些材料经历有序—无序相变，而转变为具有高离子电导率和低迁移能垒的超离子态。在这种状态下，离子会像在液体中一样快速地穿过材料的刚性晶体结构。

这种现象有利于化学能量的转换，因为它允许离子在没有液体或软膜分离电极的情况下移动。然而，很少有固态材料能在室温环境条件下达到这种状态。

“在室温环境下表现出超离子传导的氢负离子导体材料，将为构建全新的全固态氢化物电池、燃料电池和电化学转化池提供巨大的机遇。”陈萍介绍。

氢负离子具有强还原性和高氧化还原电势，已经成为研究者们关注的重点。“近年来，科学家已经开发了几种氢负离子导体，比如碱土金属氢化物和稀土金属氧氢化物，它们以能够实现快速氢迁移而闻名。”陈萍说，然而它们都不能在室温环境下实现超离子传导。

此次，研究人员创新地采用机械球磨制备方法，通过撞击和剪切力，造成氢化镧晶格的畸变，形成了大量的纳米微晶和缺陷。这些晶格缺陷可以显著抑制氢化镧的电子传导，使其电子电导率相比结晶良好的氢化镧下降5个数量级以上。

更重要的是，材料结晶度的改变对氢负离子传导的干扰并不显著，可以在“震”住电子转移的同时，仍旧“维持”氢负离子的快速传输，最终获得了优异的氢负离子传导特性。

研究团队集体照（大连化物所供图）

在以往的研究中，氢负离子导体只能在300℃左右实现超快传导。而这项研究在-40℃至80℃的温和条件下实现了超快离子传导。同时，研究人员还首次实现了室温全固态氢负离子电池的放电，证实了这种全新电池的可行性。

谈起超快氢负离子导体与超导体的区别，陈萍介绍，超导是零电阻传递电子的导体，而超快氢负离子导体传递的是氢负离子。

“许多已知的氢化物材料都是离子—电子混合导体。”陈萍说，我们建立的这种材料工程策略具有一定的普适性，有望为氢负离子导体的研发打开局面。《自然》审稿人评价，该工作展示了一种非常有趣且新颖的研究方法。