大連化物所：開發出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，在氫負離子電池、燃料電池、電化學轉化池、膜反應器、氫傳感器等能源及電化學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。目前僅有少數國外團隊專注此研究。該研究面臨材料體系少、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。

　　近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員陳萍、副研究員曹湖軍團隊提出了全新材料設計研發策略，即通過機械化學方法在稀土氫化物——氫化鑭（LaHx）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。4月5日，相關研究成果發表在《自然》（Nature）上。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。

　　在20世紀的變色玻璃研究中，研究發現氫化鑭具有快速的氫遷移能力，但其電子電導很高。近幾年，科研人員在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，但氧的引入顯著阻礙了氫負離子的傳導。

　　本工作創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。這些晶格缺陷可以顯著抑制電子傳導，其電子電導率相比結晶態的氫化鑭下降5個數量級以上。尤為重要的是，材料結晶度的改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，該氫負離子導體的電導率高達10-2 S/cm，活化能僅為0.12 eV。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。

　　陳萍團隊聚焦金屬氫化物的研究，從最初的儲氫材料研究到后來的化學固氮，再到如今的氫負離子導體，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。

大連化物所開發出首例溫和條件下超快氫負離子導體

氫負離子電導率性能對比圖

氫負離子導體潛在的應用場景