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2023-05-12
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神奇的氢负离子
近日，我国研究员团队提出了一种全新的材料设计研发策略，通过机械化学方法，在稀土氢化物——氢化镧晶格中故意制造大量的缺陷和纳米微晶，研发出首个室温环境下的超快氢负离子导体。那么想必大家会感到疑惑，什么是氢负离子？为什么它能成为首个室温条件下超导的材料？接下来，我们将为大家揭秘氢负离子的神奇之处。
一、什么是氢负离子？
氢负离子是一种具有强还原性和高氧化性还原电位的活性氢物种和能量载体，它在地球表面常温常压的条件下其实是非常不稳定的，所以大多情况下它都主要存在于实验室里和各种星体的内部。与上述相对来说，它较为人们所熟知的作用是在生命体内充当“能量载体”的角色，而在科学研究中它也将成为先进的清洁能源储存和电化学转化技术的催化剂。
二、应用方向
1.它是生命体中的“能量载体”
氢负离子是一种内源性的抗氧化剂，它们能被抗氧化物质运输到各种组织、细胞外液等生物系统中，这样就可以为自由基提供电子，使其转换成对身体有益的水和氟，从而有效清除了损害人体免疫系统的自由基。与此同时，作为宇宙中最小的抗氧化物质，它还可以通过一般药物不易通过的血脑屏障，进入任何细胞发挥抗氧化作用，激发各种营养物质的吸收与代谢，是各种生命形式中最优越的抗氧化剂。
2.它是化学能量转化的催化剂
氢负离子还具有小离子半径、大电子极化率和高标准氧化还原电位等特点，在某些条件下，它会经历有序—无序相变的过程，转变为具有高离子电导率和低迁移能垒的超离子态。在这种状态下，离子可以在没有液体或软膜分离电极的情况下快速地穿过材料的刚性晶体结构，它的速度并不比在液体中的速度逊色。这对于化学能量的转换非常有利，所以也成为了洁净能源领域的前沿课题。
三、最新成果
氢化物离子是一种极具应用性的材料，但因为氢化物离子导体的电子传导能力高，引入其他元素也无法达到最理想的状态，所以现已开发的几种H-导体都不能在常温下展现超离子导电。
此次，我国研究员团队创新地采用机械球磨制备方法，通过撞击和剪切力，造成氢化镧晶格的畸变。材料结晶度的改变对氢负离子传导的干扰并不显著，可以在保留氢负离子快速传导的性能下对电子传导起到抑制作用。如图所示，H−离子在REHx晶格中通过，在四面体和八面体之间的位置以及越过晶界后直线传播，更容易扩散；而电子在晶界、粒子表面和其他陷阱处遇到大量散射，电子运动路线极不稳定且数量急速减少，这使得其电子电导率相比结晶态的氢化镧下降5个数量级以上。
在以往的研究中，氢负离子导体只能在300℃左右实现超快传导，而这项研究在-40℃至80℃的温和条件下实现了超快离子传导。
四、意义与前景
氢负离子导体是在一定条件下具有优异氢负离子传导能力的材料，其在氢负离子电池、燃料电池、电化学转化池、膜反应器、氢传感器等能源及电化学转化器件中具有广阔的应用前景，是洁净能源领域的重要突破口。
氢负离子导体潜在的应用场景
而室温氢负离子导体实验的成功为当前领域的基础研究打开了新的大门，它提供了利用机械化学手段抑制电子传导的创新方法，推动了包括电池研发在内的实际应用研究，未来将对环保、储能、生物研究等领域做出贡献。
参考资料：
[1] Zhang, W., Cui, J., Wang, S. et al. Deforming lanthanum trihydride for superionic conduction. Nature 616, 73–76 (2023).
[2] 中国首例！室温超快氢负离子导体来了！|最前沿 -搜狐科技
[3] 首例，祝贺中国科学家 -新华社
[4] 我国研发出首个室温超快氢负离子导体 -天府科技云
[5] 图源自网络
来源：科技协会
编辑：新媒体编辑部 艾靖儒
总编： 李晓萌
审核： 白 洁
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