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氫負離子和電子在晶格畸變氫化鑭中傳導(dǎo)示意圖。 中科院大連化物所供圖

你可能知道氫（正）離子、氫原子、氫氣，但你可能沒聽過氫負離子。氫負離子從氫原子改造得到，是氫家族中最神秘的成員，具有強還原性及高氧化還原電勢等特點。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，在氫負離子電池、燃料電池、電化學(xué)轉(zhuǎn)化池、膜反應(yīng)器、氫傳感器等能源及電化學(xué)轉(zhuǎn)化器件中具有廣闊應(yīng)用前景，有望在未來實現(xiàn)一系列技術(shù)革新。近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所陳萍研究員、曹湖軍副研究員團隊提出一種全新材料設(shè)計研發(fā)策略，通過機械化學(xué)方法在稀土氫化物——氫化鑭晶格中引入大量缺陷和晶界，開發(fā)首例溫和條件下超快氫負離子導(dǎo)體。相關(guān)成果發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上。

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使其形成氧氫化物以抑制其電子傳導(dǎo)，但氧的引入也顯著阻礙了氫負離子的傳導(dǎo)。

大連化物所研究團隊創(chuàng)新地采用機械球磨制備方法，通過撞擊和剪切力，造成氫化鑭晶格畸變，破壞晶格周期性，形成大量納米微晶和晶格缺陷，可顯著抑制電子傳導(dǎo)，電導(dǎo)率相比結(jié)晶態(tài)氫化鑭下降5個以上數(shù)量級。重要的是，材料結(jié)晶度改變對氫負離子傳導(dǎo)干擾并不顯著，可在“震”住電子轉(zhuǎn)移的同時，“維持”氫負離子通過協(xié)同遷移機制快速傳輸，最終獲得優(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)，而大連化物所團隊在研究中實現(xiàn)了溫和條件下（-40℃至80℃范圍內(nèi)）的超快離子傳導(dǎo)。此外，團隊首次實現(xiàn)室溫全固態(tài)氫負離子電池放電，證實了這種全新二次電池的可行性。陳萍介紹：“許多已知的氫化物材料都是離子—電子混合導(dǎo)體。我們建立的這種材料結(jié)構(gòu)調(diào)變方法具有一定普適性，有望為氫負離子導(dǎo)體研發(fā)打開局面。”

陳萍團隊聚焦金屬氫化物研究超過20年，從最初的儲氫材料研究到后來的化學(xué)固氮，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特性和功能范圍，讓這一獨特材料在多個領(lǐng)域不斷展現(xiàn)出新潛力。

（大連新聞傳媒集團記者謝小芳）

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