Nature:變形三氫化鑭可實現超離子導電


一、 【導讀】?

Li+、Na+、H+、O2- 等固體離子導體廣泛應用于電池、燃料電池、分離膜和傳感器等領域。在一定條件下,一些材料會進入超離子狀態,其離子傳導率大于 10-3 S cm-1,擴散勢壘低于 0.3 eV,為固態電解質提供了優勢。近年來,研究者開始關注氫化物離子 (H-) 導體。這些材料具有與O2-類似的離子半徑,但是具有更高的還原電位 (-2.3 V(H-/H2))。這些材料有望被應用于開發一種新型的氫化物離子電池和燃料電池以進行能量存儲和轉換,以及獨特的電化學電池用于將 CO2和N2等分子還原為燃料。已經開發出多種 H-導體,包括堿土金屬氫化物、氫氧化物/鹵化物-堿金屬、堿土金屬和/或稀土金屬的氧化氫化物。然而,迄今為止,尚未有任何材料在常溫常壓下表現出超離子導電性。此外,以快速H遷移著稱的稀土三氫化物也表現出有害的電子導電性。

二、【成果掠影】

近日,中科院大連化物所陳萍研究員和曹湖軍副研究員聯合展示了通過在晶格中創造納米級晶粒和缺陷,可以將LaHx的電導率抑制超過5個數量級。這將LaHx轉變為一種超離子導體,使得在-40℃下具有創紀錄的高H-導電率1.0×10-2 S cm-1和低擴散勢壘0.12 eV。同時在這個基礎上還演示了一種室溫全固態氫化物電池。相關成果以“Deforming lanthanum trihydride for superionic conduction”發表在Nature上。

?三、【核心創新點】

該研究通過在晶格中創造納米級晶粒和缺陷,成功實現了室溫下全固態氫化物電池的開發。

?四、【數據概覽】

1 LaHx樣品的結構和形態 ?? 2023 Springer Nature

a不同條件下制備的LaHx樣品的XRD圖譜;

b BM-LaDx-700樣品的NPD圖案的Rietveld擬合;

c,d ?La粉末和BM-LaHx的SEM圖像;

e, f BM-LaHx和BM-LaHx-700的代表性HRTEM圖像。

2 REHx的電導率 ? 2023 Springer Nature

a展示了BM-LaHx、BM-LaHx-700和LaHx-P-700電導率隨溫度的變化情況;

b比較了不同方法制備的REHx在室溫下的電導率。

3 LaHx的氫化物離子導電性 ?? 2023 Springer Nature

a BM-LaHx在-40℃下的EIS圖;

b BM-LaHx和BM-LaHx-700的離子電導率隨溫度的變化關系;

c 在Pnma結構的LaH2.98中,從P1到P1通過P30的氫離子遷移路徑的模擬。

4 全固態氫化物電池及氫化物離子傳導 ? 2023 Springer Nature

a 在25℃下,以10μA恒定電流放電的Ti/BM-LaHx/TiH2電池放電曲線;

b 一些典型材料的氫化物離子導電性總結;

c 變形的REHx中H-和電子的輸運的示意圖。

五、【成果啟示】

總言之,該研究表明晶格變形對抑制REHx中電子傳導的有效性。另一方面,電子在晶界、顆粒表面和其他陷阱處遇到大量散射,從而使其電導率比其完整結晶的同類材料低三至五個數量級,而且許多氫化物材料都是混合H-離子和電子導體。將本研究所開發的方法推廣到其他氫化物材料中,將拓寬純H-離子導體的材料范圍。

原文詳情:Zhang, W., Cui, J., Wang, S. et al. Deforming lanthanum trihydride for superionic conduction. Nature 616, 73–76 (2023).

?https://doi.org/10.1038/s41586-023-05815-0

本文由jiojio供稿

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