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2023-05-12

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神奇的氫負(fù)離子

　　近日，我國(guó)研究員團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的材料設(shè)計(jì)研發(fā)策略，通過(guò)機(jī)械化學(xué)方法，在稀土氫化物——?dú)浠|晶格中故意制造大量的缺陷和納米微晶，研發(fā)出首個(gè)室溫環(huán)境下的超快氫負(fù)離子導(dǎo)體。那么想必大家會(huì)感到疑惑，什么是氫負(fù)離子？為什么它能成為首個(gè)室溫條件下超導(dǎo)的材料？接下來(lái)，我們將為大家揭秘氫負(fù)離子的神奇之處。

一、什么是氫負(fù)離子？

　　氫負(fù)離子是一種具有強(qiáng)還原性和高氧化性還原電位的活性氫物種和能量載體，它在地球表面常溫常壓的條件下其實(shí)是非常不穩(wěn)定的，所以大多情況下它都主要存在于實(shí)驗(yàn)室里和各種星體的內(nèi)部。與上述相對(duì)來(lái)說(shuō)，它較為人們所熟知的作用是在生命體內(nèi)充當(dāng)“能量載體”的角色，而在科學(xué)研究中它也將成為先進(jìn)的清潔能源儲(chǔ)存和電化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)的催化劑。

二、應(yīng)用方向

1.它是生命體中的“能量載體”

　　氫負(fù)離子是一種內(nèi)源性的抗氧化劑，它們能被抗氧化物質(zhì)運(yùn)輸?shù)礁鞣N組織、細(xì)胞外液等生物系統(tǒng)中，這樣就可以為自由基提供電子，使其轉(zhuǎn)換成對(duì)身體有益的水和氟，從而有效清除了損害人體免疫系統(tǒng)的自由基。與此同時(shí)，作為宇宙中最小的抗氧化物質(zhì)，它還可以通過(guò)一般藥物不易通過(guò)的血腦屏障，進(jìn)入任何細(xì)胞發(fā)揮抗氧化作用，激發(fā)各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收與代謝，是各種生命形式中最優(yōu)越的抗氧化劑。

2.它是化學(xué)能量轉(zhuǎn)化的催化劑

　　氫負(fù)離子還具有小離子半徑、大電子極化率和高標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位等特點(diǎn)，在某些條件下，它會(huì)經(jīng)歷有序—無(wú)序相變的過(guò)程，轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈唠x子電導(dǎo)率和低遷移能壘的超離子態(tài)。在這種狀態(tài)下，離子可以在沒(méi)有液體或軟膜分離電極的情況下快速地穿過(guò)材料的剛性晶體結(jié)構(gòu)，它的速度并不比在液體中的速度遜色。這對(duì)于化學(xué)能量的轉(zhuǎn)換非常有利，所以也成為了潔凈能源領(lǐng)域的前沿課題。

三、最新成果

　　氫化物離子是一種極具應(yīng)用性的材料，但因?yàn)闅浠镫x子導(dǎo)體的電子傳導(dǎo)能力高，引入其他元素也無(wú)法達(dá)到最理想的狀態(tài)，所以現(xiàn)已開發(fā)的幾種H-導(dǎo)體都不能在常溫下展現(xiàn)超離子導(dǎo)電。

　　此次，我國(guó)研究員團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地采用機(jī)械球磨制備方法，通過(guò)撞擊和剪切力，造成氫化鑭晶格的畸變。材料結(jié)晶度的改變對(duì)氫負(fù)離子傳導(dǎo)的干擾并不顯著，可以在保留氫負(fù)離子快速傳導(dǎo)的性能下對(duì)電子傳導(dǎo)起到抑制作用。如圖所示，H?離子在REHx晶格中通過(guò)，在四面體和八面體之間的位置以及越過(guò)晶界后直線傳播，更容易擴(kuò)散；而電子在晶界、粒子表面和其他陷阱處遇到大量散射，電子運(yùn)動(dòng)路線極不穩(wěn)定且數(shù)量急速減少，這使得其電子電導(dǎo)率相比結(jié)晶態(tài)的氫化鑭下降5個(gè)數(shù)量級(jí)以上。??

　　在以往的研究中，氫負(fù)離子導(dǎo)體只能在300℃左右實(shí)現(xiàn)超快傳導(dǎo)，而這項(xiàng)研究在-40℃至80℃的溫和條件下實(shí)現(xiàn)了超快離子傳導(dǎo)。

四、意義與前景

　　氫負(fù)離子導(dǎo)體是在一定條件下具有優(yōu)異氫負(fù)離子傳導(dǎo)能力的材料，其在氫負(fù)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)化器件中具有廣闊的應(yīng)用前景，是潔凈能源領(lǐng)域的重要突破口。

氫負(fù)離子導(dǎo)體潛在的應(yīng)用場(chǎng)景

　　而室溫氫負(fù)離子導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)的成功為當(dāng)前領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究打開了新的大門，它提供了利用機(jī)械化學(xué)手段抑制電子傳導(dǎo)的創(chuàng)新方法，推動(dòng)了包括電池研發(fā)在內(nèi)的實(shí)際應(yīng)用研究，未來(lái)將對(duì)環(huán)保、儲(chǔ)能、生物研究等領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)。

參考資料：

[1]?Zhang, W., Cui, J., Wang, S. et al. Deforming lanthanum trihydride for superionic conduction. Nature 616, 73–76 (2023).

[2]?中國(guó)首例！室溫超快氫負(fù)離子導(dǎo)體來(lái)了！|最前沿 -搜狐科技

[3]?首例，祝賀中國(guó)科學(xué)家 -新華社

[4]?我國(guó)研發(fā)出首個(gè)室溫超快氫負(fù)離子導(dǎo)體?-天府科技云

[5]?圖源自網(wǎng)絡(luò)

來(lái)源：科技協(xié)會(huì)

編輯：新媒體編輯部　　艾靖儒

總編：　　　　　　　　李曉萌

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