Eine Weltneuheit! Das Problem des Wasserstoffanionen-Supraleiters, das die Branche seit Jahren beschäftigt, wurde von chinesischen Wissenschaftlern gelöst

Chinesische Wissenschaftler erreichen ultraschnelle Wasserstoffanionenleitung bei Raumtemperatur! Ein Team unter der Leitung des Forschers Chen Ping und des assoziierten Forschers Cao Hujun vom Dalian Institute of Chemical Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften schlug eine neue Strategie für Materialdesign und -entwicklung vor. Durch mechanochemische Methoden erzeugten sie gezielt eine große Anzahl von Defekten und Nanokristallen im Gitter des Seltenerdhydrids – Lanthanhydrid – und entwickelten den ersten ultraschnellen Wasserstoffanionenleiter bei Raumtemperatur. Die entsprechenden Forschungsergebnisse wurden am 5. April in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Unter bestimmten Bedingungen durchlaufen einige Materialien einen Ordnungs-Unordnungs-Phasenübergang und gehen in einen superionischen Zustand mit hoher Ionenleitfähigkeit und niedriger Migrationsenergiebarriere über. In diesem Zustand bewegen sich Ionen schnell durch die starre Kristallstruktur des Materials, genau wie in einer Flüssigkeit.

Dieses Phänomen ist für die Umwandlung chemischer Energie von Vorteil, da es die Bewegung von Ionen ermöglicht, ohne dass Flüssigkeiten oder weiche Membranen die Elektroden trennen. Allerdings können nur wenige Festkörpermaterialien diesen Zustand unter Umgebungsbedingungen bei Zimmertemperatur erreichen.

„Wasserstoffionenleitermaterialien, die bei Raumtemperatur eine superionische Leitfähigkeit aufweisen, werden enorme Möglichkeiten für den Bau neuer Festkörperhydridbatterien, Brennstoffzellen und elektrochemischer Umwandlungszellen bieten“, führte Chen Ping ein.

Wasserstoffionen haben starke reduzierende Eigenschaften und ein hohes Redoxpotential und sind in den Fokus der Forschung gerückt. „In den letzten Jahren haben Wissenschaftler mehrere Wasserstoffionenleiter entwickelt, wie etwa Erdalkalimetallhydride und Seltenerdmetalloxyhydride, die für ihre Fähigkeit bekannt sind, eine schnelle Wasserstoffmigration zu erreichen“, sagte Chen Ping. Allerdings könne keiner von ihnen bei Raumtemperatur eine superionische Leitung erreichen.

Diesmal verwendeten die Forscher auf innovative Weise ein mechanisches Kugelmahlverfahren, das durch Aufprall- und Scherkräfte eine Verzerrung des Lanthanhydrid-Kristallgitters verursachte und so eine große Zahl von Nanokristallen und Defekten bildete. Diese Gitterdefekte können die Elektronenleitung von Lanthanhydrid erheblich beeinträchtigen und dazu führen, dass seine Elektronenleitfähigkeit im Vergleich zu gut kristallisiertem Lanthanhydrid um mehr als 5 Größenordnungen sinkt.

Noch wichtiger ist, dass die Änderung der Kristallinität des Materials die Wasserstoffionenleitung nicht wesentlich beeinträchtigt. Es kann den Elektronentransfer „schockieren“, während die schnelle Übertragung von Wasserstoffionen weiterhin „aufrechterhalten“ wird, wodurch letztendlich hervorragende Wasserstoffionenleitungseigenschaften erreicht werden.

In früheren Studien konnten Wasserstoffanionenleiter eine ultraschnelle Leitung erst bei etwa 300 °C erreichen. In dieser Studie wurde eine ultraschnelle Ionenleitung unter milden Bedingungen von -40 °C bis 80 °C erreicht. Gleichzeitig gelang es den Forschern erstmals, eine Festkörper-Wasserstoffionenbatterie bei Raumtemperatur zu entladen, was die Machbarkeit dieser neuen Batterie bestätigte.

Als Chen Ping über den Unterschied zwischen ultraschnellen Wasserstoffionenleitern und Supraleitern sprach, stellte er fest, dass Supraleiter Leiter sind, die Elektronen ohne Widerstand übertragen, während ultraschnelle Wasserstoffionenleiter Wasserstoffionen übertragen.

„Viele bekannte Hydridmaterialien sind gemischte Ionen-Elektronen-Leiter.“ Chen Ping sagte, dass die von uns entwickelte Materialtechnikstrategie eine gewisse Universalität besitze und voraussichtlich die Forschung und Entwicklung von Wasserstoff-Negativionenleitern vorantreiben werde. Die Gutachter von Nature kommentierten, dass die Arbeit einen sehr interessanten und neuartigen Forschungsansatz zeige.

Quelle: Science and Technology Daily

Originaltitel: „Mein Land hat den ersten ultraschnellen Wasserstoff-Negativionenleiter bei Raumtemperatur entwickelt.“