世界初！長年業界を悩ませてきた水素アニオン超伝導問題が中国の科学者によって解決された

中国の科学者が室温での超高速水素アニオン伝導を達成！中国科学院大連化学物理研究所の陳平研究員と曹虎軍准研究員が率いるチームは、新たな材料設計・開発戦略を提案した。研究チームは機械化学的手法により、希土類水素化物であるランタン水素化物の格子内に多数の欠陥とナノ結晶を意図的に作り出し、室温で超高速の水素アニオン伝導体を開発しました。関連する研究結果は4月5日にネイチャー誌に掲載された。

特定の条件下では、一部の材料は秩序-無秩序相転移を起こし、高いイオン伝導性と低い移動エネルギー障壁を持つ超イオン状態に変換されます。この状態では、イオンは液体中と同じように、物質の硬い結晶構造を通って素早く移動します。

この現象は、電極を隔てる液体や柔らかい膜なしでイオンが移動できるため、化学エネルギーの変換に有益です。しかし、室温の周囲条件下でこの状態を実現できる固体材料はほとんどありません。

「室温で超イオン伝導を示す水素イオン伝導体材料は、新しい全固体水素化物電池、燃料電池、電気化学変換セルの構築に大きな可能性をもたらすだろう」と陳平氏は紹介した。

水素イオンは強い還元特性と高い酸化還元電位を持ち、研究者の注目を集めています。 「近年、科学者らは、高速水素移動を実現する能力があることで知られるアルカリ土類金属水素化物や希土類金属オキシ水素化物などの水素イオン伝導体をいくつか開発してきた」と陳平氏は述べた。しかし、いずれも室温で超イオン伝導を実現できるものではない。

今回、研究者らは革新的な機械的なボールミル製法を採用し、衝撃とせん断力によってランタン水素化物結晶格子の歪みを引き起こし、多数のナノ結晶と欠陥を形成した。これらの格子欠陥はランタン水素化物の電子伝導を著しく阻害し、十分に結晶化されたランタン水素化物と比較して電子伝導性が 5 桁以上低下する原因となります。

さらに重要なのは、材料の結晶性の変化が水素イオン伝導に大きな影響を与えないことです。水素イオンの急速な伝達を「維持」しながら電子移動に「衝撃」を与えることができ、最終的に優れた水素イオン伝導特性を実現します。

これまでの研究では、水素アニオン伝導体は 300°C 程度でのみ超高速伝導を達成できました。この研究では、-40℃～80℃の温和な条件下で超高速イオン伝導を実現しました。同時に、研究者らは全固体水素イオン電池の室温での放電にも初めて成功し、この新しい電池の実現可能性を確認した。

超高速水素イオン伝導体と超伝導体の違いについて話す中で、陳平氏は、超伝導体は抵抗ゼロで電子を伝導する伝導体であるのに対し、超高速水素イオン伝導体は水素イオンを伝導すると紹介しました。

「多くの既知の水素化物材料はイオン電子混合伝導体です。」陳平氏は、私たちが確立した材料工学戦略には一定の普遍性があり、水素マイナスイオン伝導体の研究開発の開拓につながると期待していると述べた。 Nature の査読者は、この研究は非常に興味深く斬新な研究アプローチを示しているとコメントしました。

出典：科技日報

元のタイトル: 「我が国は初の常温超高速水素マイナスイオン伝導体を開発しました」