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近日，中國科學院大連化學物理研究所陳萍研究員、曹湖軍副研究員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。本工作中的理論計算和中子衍射實驗分別與廈門大學副教授吳安安和中國工程物理研究院核物理與化學研究所副研究員夏元華合作完成。

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(zhuǎn)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。氫負離子導體可以作為固態(tài)電解質(zhì)材料，用以構(gòu)建基于氫負離子的新型二次離子電池、燃料電池和電化學轉(zhuǎn)化池等，有望在潔凈能源存儲與利用中發(fā)揮積極的作用，前景十分迷人。

與目前研究的熱點離子導體材料，諸如鋰離子、鈉離子和質(zhì)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，有望在二次離子電池、燃料電池、電化學轉(zhuǎn)化池、膜反應器等方面實現(xiàn)一系列技術(shù)革新，是能源儲存和轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的前沿課題。然而氫負離子尺寸較大，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，造成材料電子電導較大這一不利現(xiàn)象，研究極具挑戰(zhàn)性。

早在上世紀的變色玻璃研究中，就有學者發(fā)現(xiàn)稀土金屬氫化物如LaH_x具有快速的氫遷移能力，但它卻是一種離子-電子混合導體，其電子電導較大，阻礙了其作為離子導體的開發(fā)。近期，有研究人員向LaH_x晶格中引入氧使其形成氧氫化物，可有效地抑制其電子傳導。然而氧的引入也降低了H^-的傳導能力。

針對H^-離子導體研究所遇到的困境，該研究團隊開創(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。機械球磨是一種操作相對簡單的實驗方法，通過在密閉容器里放置材料和大小不一的鋼球，在高速旋轉(zhuǎn)下，材料、容器壁和鋼球之間發(fā)生強烈的撞擊、剪切和摩擦作用，可以將材料粉碎乃至造成晶格畸變。該方法工藝簡單、環(huán)境污染小、應用前景良好。

在此次研究中，科研人員將LaH_x顆粒放入機械球磨機中進行高速球磨。經(jīng)過這種高速的“洗禮”，LaH_x顆粒發(fā)生了明顯的變形：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，“震”住了電子傳遞，使其電子電導率相比結(jié)晶良好的LaH_x下降5個數(shù)量級以上。

團隊經(jīng)過大量的嘗試，組裝了由“變形“的LaH_x為固體電解質(zhì)，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。這一令人鼓舞的結(jié)果證實了這種全新的二次離子電池的可行性。

該研究團隊20余年一直致力于氫化物的研究，，探索、理解這一獨特材料的物性、挖掘其特殊功能是他們的追求。接下來，團隊還將進一步開發(fā)、優(yōu)化氫負離子導體材料、探索其在二次離子電池和電化學轉(zhuǎn)化池方面的應用。

(資料來源：中國科學報)

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