我所開發首例溫和條件下超快氫負離子導體

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　　近日，我所氫能與先進材料研究部復合氫化物材料化學研究組（DNL1901組）陳萍研究員、曹湖軍副研究員團隊提出了一種全新材料設計研發策略，通過機械化學方法在稀土氫化物——氫化鑭（LaH_x）晶格中引入大量的缺陷和晶界，開發了首例溫和條件下超快氫負離子導體。

　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。氫負離子導體是在一定條件下具有優異氫負離子傳導能力的材料，其在二次電池、燃料電池、電化學轉化池、膜反應器、氫傳感器等能源儲存與轉化器件中具有廣闊的應用前景，有望在未來實現一系列的技術革新。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率低等問題，是潔凈能源領域的前沿課題。

　　早在上世紀的變色玻璃研究中，研究者就發現氫化鑭具有快速的氫遷移能力，但其電子電導也很高。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，但氧的引入也同時顯著阻礙了氫負離子的傳導。

　　本工作中，團隊創新地采用機械化學球磨法，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，其電子電導率相比結晶良好的氫化鑭下降5個數量級以上。尤為重要的是，晶格畸變對氫負離子傳導的干擾并不顯著，可在“震”住電子轉移的同時，仍舊“維持”氫負離子通過協同遷移機制快速傳輸，最終獲得了優異的氫負離子傳導特性。

　　此前報道的氫負離子導體只能在300℃左右實現超快傳導，而本工作實現了在溫和條件下（-40至80℃溫度范圍內）的超快離子傳導，在-40℃時，該材料的氫負離子電導率就高達10^-2S/cm，活化能僅為0.12eV。此外，團隊還首次實現了室溫全固態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—電子混合導體，”陳萍介紹道，“我們建立的這種材料結構調變的方法具有一定的普適性，有望為氫負離子導體的研發打開局面。”

　　本工作中的理論計算和中子衍射實驗分別與廈門大學吳安安副教授和中國工程物理研究院核物理與化學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域不斷地展現出新的潛力。

　　相關成果以“Deforming Lanthanum Trihydride for Superionic Conduction”為題，于北京時間4月5日發表在《自然》（Nature）上，該工作的共同第一作者是我所DNL1901組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計劃、國家自然科學基金、中科院青促會、遼寧省興遼英才計劃等項目的資助。（文/圖 張煒進 曹湖軍）

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-023-05815-0