研究人员发现氢离子新导电机制

据外国媒体报道：Empagen成功地解码了晶体中氢离子的运动规律，这是未来氢气行业中更有效地进行能量转换的关键步骤。

电子和离子在电化学存储装置和转换器中起主导作用，它们是实现导电所必须的物质。质子，即带电荷的氢离子，它们一般由燃料电池中的氢气电离产生。

Empa物理学家Artur Braun和苏黎世科技大学的博士生Qianli Chen在Paul Scherrer研究所（PSI）的瑞士散裂中子源（SINC）实验室进行了中瑞散射实验，实验记录了晶体中质子的迁移率。实验结果表明，质子的迁移率在陶瓷燃料电池的质子运动过程中遵循比以前假定的更复杂的规律：就如他们在Nature Communications发表的论文里阐述的一样，质子的运动遵循所谓的极化子模型。

俄罗斯物理学家、诺贝尔奖得主Lev Davidovich Landau在1933年提出了极化理论，这一理论只适用于电子。该模型提供了电子如何通过介电晶体空隙，并将原子中原有的电子挤出的方法，即极化是晶体中的运动波，其可以被描述为粒子的轨迹，可以被偏转和反射。

电子极化子一直是理论物理学的支柱，也是应用模型计算的无可争议的基础。相比之下，氢离子极化现象，即从一个位置“跳”到下一个的氢离子的模型仅仅是一种假设。虽然生物学家使用氢原子的跳跃模型来解释代谢过程，但由于没有直接证据，固态物理学家并没有将氢离子极化视为有效的解释模型。

但是，最近的研究使得这一情况有所改观，基于使用钇掺杂的钡氧化铈和钡氧化锆晶体的实验，Braun和Chen设法证明了质子极化子的存在。在干燥状态下，这些晶体是不导电的，然而，如果暴露在蒸汽气氛中，在晶体结构的内部将形成OH基团，同时释放质子。质子之后可以以波浪的形式移动，使得氧化物变为离子导电体。

通过在高达600摄氏度的温度下，研究不同高压条件下的晶体，Braun和Chen发现了氢离子波的证据。Empa在科学界的广泛合作关系起到了关键作用：样品在PSI的中子源上进行x射线衍射实验，而晶体的高压实验则与来自法兰克福歌德大学地球科学/地理系的研究者一起进行。

结果表明，当晶体被加热，晶格振动加强，电荷从一个OH基团开始移动到另一个。如果使用专用压实机将晶体暴露在高压下，质子飞跃的空间就会更小，电导率再次下降。这证明极化子模型适用于电子和质子。Braun表示，这个理论可能也适用于其他离子如锂。

Empa研究人员的研究结果可能提供关于燃料电池和氢存储系统材料选择的重要信息，从而影响未来的能源供应。