研究人员在环境温度下实现超离子氢化物离子传导

可以在环境条件下传导带负电荷的氢原子的材料可以为先进的清洁能源存储和电化学转换技术铺平道路。中国科学院大连化学物理研究所(DICP)的一个研究小组展示了一种技术，该技术通过引入和利用稀土氢化物晶格结构中的缺陷来实现室温全固态氢化物电池。他们的研究于5月<>日发表在《自然》杂志上。

传导锂、钠和氢阳离子的固体材料已用于电池和燃料电池。在某些条件下，一些材料会过渡到超离子状态，其中离子通过跳过刚性晶体结构而像在液体中一样快速移动。这种现象有利于化学和能量转换，因为它允许离子在没有液体或软膜分离电极的情况下移动。然而，在环境条件下，很少有固态材料可以达到这种状态。

“在环境条件下表现出超离子传导的材料将为构建全新的全固态氢化物电池，燃料电池和电化学电池提供巨大的机会，用于清洁能源的存储和转换，”DICP的研究作者陈平教授说。

具有较强的还原性和高氧化还原电位，氢化物离子(H−)导体已成为该技术的有希望的候选者。几个H−近年来已经开发了导体，包括碱土金属氢化物和碱土和稀土金属的氧氢化物，它们以快速氢迁移而闻名。但是，在DICP团队采取新方法之前，所开发的材料都无法在环境条件下实现超离子传导。

DICP研究小组针对某些稀土元素(REH)的三氢化物(每个分子含有三个氢原子的氢原子)的结构和形态。x)，包括镧(La)。

增强电子导率的策略通常寻求减少金属纳米线互连和纳米结构光伏半导体等应用的晶体学缺陷。然而，在这项研究中，研究小组故意创造了丰富的离散纳米晶粒和晶格缺陷，以干扰REH中的电子传输路径。x并抑制电子电导率。这与用于离子传导的工程传统材料不同，后者依赖于高结晶度的一致结构。

研究小组观察到H−离子在REH中容易扩散x晶格通过在晶体中的八面体和四面体位点之间跳跃以及跨越界面或晶界。另一方面，电子在晶界、粒子表面和其他陷阱处遇到了大量的散射，这使电子电导率比结晶良好的电子体降低了三到五个数量级。

“通过在已知的离子 - 电子混合导体中创建纳米尺寸的晶粒，缺陷和其他晶体不匹配区域，我们证明了LaH的电子导电性x(x ' 2.94)可以在很大程度上抑制五个数量级，“陈说。“设计这种材料可以改变LaHx变成纯氢化物离子导体，在-40°C至80°C的温度范围内具有创纪录的高电导率。

研究人员有效地抑制了LaH的电子传导x通过高能球磨减小粒径并扭曲晶格，这涉及使材料受到高能碰撞。快速 H−传导和高离子转移数，变形的LaHx材料将使氢化物离子电池能够在室温或更低温度下运行。

“这项工作证明了晶格变形在抑制REH中电子传导方面的有效性。x“陈说。

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