我国科学家研发出首例室温氢负离子导体

据中国科学院大连化学物理研究所（以下简称“大连化物所”）公众号消息，大连化物所陈萍研究员、曹湖军副研究员团队提出了一种全新材料设计研发策略，通过机械化学方法在稀土氢化物——氢化镧（LaHx）晶格中引入大量的缺陷和晶界，开发了首例温和条件下超快氢负离子导体。

相关成果于4月5日发表在《自然》杂志上，该工作的共同第一作者是大连化物所博士后张炜进和博士研究生崔继荣。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。

早在上世纪的变色玻璃研究中，研究者就发现氢化镧具有快速的氢迁移能力，但其电子电导也很高。近几年，科研人员往氢化镧晶格中引入氧大幅抑制了其电子传导，但氧的引入也同时显著阻碍了氢负离子的传导。

本工作中，团队创新地采用机械化学球磨法，通过碰撞和剪切力，造成氢化镧晶格的畸变，破坏了晶格的周期性，形成了大量的纳米微晶和晶格缺陷。这些缺陷可以显著抑制电子传导，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。尤为重要的是，晶格畸变对氢负离子传导的干扰并不显著，可在“震”住电子转移的同时，仍旧“维持”氢负离子通过协同迁移机制快速传输，最终获得了优异的氢负离子传导特性。

氢负离子电导率性能对比图

此前报道的氢负离子导体只能在300℃左右实现超快传导，而本工作实现了在温和条件下（-40至80℃温度范围内）的超快离子传导，在-40℃时，该材料的氢负离子电导率就高达10-2S/cm，活化能仅为0.12eV。此外，团队还首次实现了室温全固态氢负离子电池的放电，证实了这种全新的二次电池的可行性。

“许多已知的氢化物材料都是离子—电子混合导体，”陈萍介绍道，“我们建立的这种材料结构调变的方法具有一定的普适性，有望为氢负离子导体的研发打开局面。”

本工作中的理论计算和中子衍射实验分别与厦门大学吴安安副教授和中国工程物理研究院核物理与化学研究所夏元华副研究员合作完成。

陈萍团队聚焦金属氢化物的研究已超过20年，从最初的储氢材料研究到后来的化学固氮，再到如今的氢负离子导体，团队通过拓展完善金属氢化物的特性和功能范围，让这一独特材料在多个领域不断地展现出新的潜力。