要火!这种元素,一天两篇Nature!
海之角
微算云平台
微算云平台
微信号
v-suan
功能介绍
做计算 找华算!电话:13129551561
【做计算 找华算】
理论计算助攻顶刊,10000+成功案例,全职海归技术团队、正版商业软件版权!
经费预存选华算,高至15%预存增值!
镧元素是一位多才多艺的小姐姐,既能制造电子产品,又能制造火柴,简直是全能型选手。而且,它的颜色变化多端,像一位抖音女孩,总能带来惊喜。不过,要是你想了解镧元素的秘密,可得好好读一读化学书啊,不然它可不会轻易地向你敞开心扉哦。
这不,关于“镧”,今天的Nature一次上线两篇,而且都是关于超离子导体,都是由中国科学家发表的。看来,这个不太起眼的元素又开始发光发热了呢!它的多才多艺和魅力终于被大家所认可。不得不说,重新认识一下这个“镧”真的是非常必要的!
1. 中国科学院大连化学物理研究所:形变三氢化镧用于超离子传导
具有强还原性和高氧化还原电位的氢化物离子(H
-
)是一种活性氢物种和能量载体。在常温下导电纯H
-
的材料,将成为先进的清洁能源储存和电化学转化技术的催化剂。然而,以快速H
-
迁移而闻名的稀土三氢化物,也表现出有害的电子导电性。
在此,来自中国科学院大连化学物理研究所的
曹湖军
和
陈萍
等研究者展示了
通过在晶格中创建纳米颗粒和缺陷
,可以将
LaH
x
的电子导电性抑制五个数量级以上
。这将
LaH
x
转化为-40°C下的超离子导体
,
具有1.0×10
-2
S cm
-1
的创纪录高H
-
电导率
和
0.12 eV的低扩散能垒
。
研究者还演示了一种室温下的全固态氢化物电池。相关论文以题为“Deforming lanthanum trihydride for superionic conduction”于2023年04月05日发表在Nature上。
固体材料可以导电Li
+
、Na
+
、H
+
、O
2−
等,已经应用于电池、燃料电池、分离膜和传感器等领域。在特定条件下,一些材料经历一种有序-无序转变,转变成超离子状态,其离子电导率大于10
-3
S cm
-1
,扩散屏障低于0.3 eV,为固态电解质提供了优势。
最近的研究关注点是氢化物离子(H
-
)导体,其中H
-
的离子半径类似于O
2-
,但氧化还原电位更高达-2.3 V(H
-
/H
2
)。这些材料将能够开发一种新型的氢化物离子电池和燃料电池,用于能量存储和转化,以及用于将CO
2
和N
2
还原成燃料的独特电化学电池。
最近,人们已经开发了几种H
-
导体,包括碱土金属氢化物和碱金属、碱土金属和/或稀土(RE)金属的氧化氢化物/卤化氢化物。然而,这些材料都不能在常温下展现超离子导电。
本研究特别关注的是稀土元素(RE)的三氢化物(REH
x
)(RE元素:La、Ce和Pr;2.5<x≤3.0)。不可移动的RE原子形成一个刚性的面心立方(fcc)框架,氢原子更倾向于填补四面体位置而非八面体位置。一些八面体位置(H
O
)和可能的小的四面体位置(H
T
)是空缺的。
H
T
最近的原子是H
O
,大约为2.43 Å(对于LaH
x
)。这为REH
x
中的H迁移提供了有利的环境。事实上,快速的H扩散在REH
x
中已经被观察并用于可切换镜子和氢储存材料的研究。
人们已经证实,迁移的H原子带有负电荷。然而,RE氢化物是金属、半金属或窄带隙半导体,这取决于H含量。当H含量接近3时,这些氢化物仍然表现出强的电子导电性;例如,晶体良好的LaH
2.93
和CeH
2.85
在室温下分别具有2.0 S cm
-1
和3.3 S cm
-1
的有害电子导电性。
研究者注意到,晶体中的晶界和缺陷可以强影响金属和半导体的电子转移。尽管人们已经做出了相当大的努力,减少金属纳米线互连中的这些晶体学缺陷,以及纳米结构光伏半导体等,以提高它们的电子导电性。
相反,研究者有意创建了丰富的离散纳米颗粒和晶格缺陷,以扰乱REH
x
中电子传输的路径,从而操纵其电子导电性。这与传统的离子导电材料工程不同,其中材料的高结晶度是首选的。
在此,研究者展示了
通过在晶格中创建纳米颗粒和缺陷
,可以将
LaH
x
的电子导电性抑制五个数量级以上
。这将
LaH
x
转化为-40°C下的超离子导体
,
具有1.0×10
-2
S cm
-1
的创纪录高H
-
电导率
和
0.12 eV的低扩散能垒
。研究者还演示了一种室温下的全固态氢化物电池。
图1 LaH
x
样品的结构和形态
图2 REHx的电导率
图3 氢化物离子电导率
图4 全固态氢化物电池和氢化物离子传导
总之,这项工作证明了晶格变形对抑制REH
x
中电子传导的有效性。如图4c所示,H
−
离子在REH
x
晶格中通过在四面体和八面体位置之间跳跃以及越过晶界而容易扩散。
另一方面,电子在晶界、粒子表面和其他陷阱处遇到大量散射,这使得电子电导率比晶体化良好的电子电导率降低了3到5个数量级。许多氢化物材料是H
−
和电子导体的混合。将本研究开发的方法推广到其他氢化物材料,将扩大纯氢导体的材料范围。
无独有偶,同一天,来自中国科学技术大学和浙江工业大学的研究者们,也发表了一篇有关“镧”的快离子导体。
2. 浙江工业大学&中国科学技术大学:一种与金属锂相容的LaCl
3
基锂超离子导体
无机超离子导体,具有较高的离子导电性和良好的热稳定性,但其与锂金属电极的界面相容性差,阻碍了其在全固态锂金属电池中的应用。
在此,来自浙江工业大学的
陶新永
和中国科学技术大学的
李震宇&姚宏斌
等研究者,报道了一种
基于LaCl
3
的锂超离子导体
,它与
锂金属电极具有良好的界面相容性
。相关论文以题为“
A LaCl
3
-based lithium superionic conductor compatible with lithium metal
”于2023年04月05日发表在
Nature
上。
全固态锂金属电池(ASSLMBs)的使用,可以解决传统锂离子电池的安全性和能量密度问题。
虽然固态电解质(SEs)是ASSLMBs的一个重要组成部分,但目前没有一种单一的SE具备ASSLMBs所需的所有性质,包括高离子导电性、软晶格以实现亲密的固-固接触和广泛的电化学窗口。
缺乏这些性质会导致先前报道的无机SEs存在电极兼容性问题,例如劣质的电极界面接触(氧化物SE)、低电极界面稳定性(硫化物SE)和与锂金属快速失效的界面恶化(卤化物/硫化物SE),从而限制了它们在ASSLMBs中的实际应用。
因此,一种具有ASSLMBs中电极兼容性所需属性的锂超离子导体是非常可取的。
无机SE的Li
+
导率取决于晶格设计。先前报道的硫化物(Li
10
GeP
2
S
12
)、氧化物(Li
0.34
La
0.51
TiO
2.94
)和卤化物(Li
3
InCl
6
) SEs由于晶格优化,表现出高室温离子电导率,超过1 mS cm
−1
。
在此,研究者提出了一种Li
+
导电的LaCl
3
晶格,具有
P
6
3
/
m
空间群的UCl
3
型结构,具有不同于传统的六角形紧密堆积(如Li
3
YCl
6
和Li
3
HoCl
6
)和立方型紧密堆积(如Li
3
ScCl
6
和Li
3
InCl
6
)的非紧密堆积阴离子晶格。
相较于Li
3
MCl
6
(M = Y、In、Sc和Ho)电解质晶格,UCl
3
型LaCl
3
晶格具有大量的一维通道,可实现快速的Li
+
传导,这些通道通过Ta掺杂的La空位相互连接,形成三维Li
+
迁移网络。
优化后的Li
0.388
Ta
0.238
La
0.475
Cl
3
电解质在30℃时表现出3.02 mS cm
−1
的Li
+
导电性和0.197 eV的低激活能。它还产生了梯度界面钝化层,用于长期循环Li-Li对称电池(1 mAh cm−2)超过5,000 h。
当与未涂层的LiNi
0.5
Co
0.2
Mn
0.3
O
2
正极和裸露的Li金属负极直接耦合时,Li
0.388
Ta
0.238
La
0.475
Cl
3
电解质使得固态电池能够在4.35 V的截止电压和1 mAh cm
−2
的面积容量下运行100多个循环。
研究者还展示了镧系金属氯化物(LnCl
3
;Ln = La、Ce、Nd、Sm和Gd)中的快速Li
+
传导,表明LnCl
3
固态电解质系统可以进一步发展导电性和应用价值。
图1 提出了一种基于LaCl
3
晶格的Li
+
超离子导体的结构模型及相应的Li
+
迁移机理
图2 Li
x
Ta
y
La
z
Cl
3
的Li
+
电导率及Li
+
化学环境的鉴定
图3 Li
0.388
Ta
0.238
La
0.475
Cl
3
SE对Li金属电极的界面稳定性
图4 Li/Li
0.3888
Ta
0.238
La
0.475
Cl
3
/NCM523 ASSLMB的电化学性能
作者介绍
陈萍,女,博士,研究员,博士生导师,氢能与先进材料研究部部长。1997年毕业于厦门大学,获物理化学专业博士学位。
1997-2008年就职于新加坡国立大学,历任研究员、高级研究员,助理教授及副教授。2008年率研究团队回国,任中国科学院大连化学物理研究所研究员。2009年入选中科院专项人才计划并获择优支持、2012年获杰出青年基金支持、2019年入选国家“万人计划”。
致力于氢化物在能源存储及催化转化中的作用研究,研究方向:
(1)提出正氢+负氢作用机制,建立了氨基化合物—氢化物复合材料和金属氨基硼烷等储氢材料体系;
(2)将氢化物用于介导氮气分子的活化转化,实现温和条件下氨的催化合成与分解。从源头创新,致力于深化材料设计与催化作用理论,探索氢能利用中的基础科学问题。
在Nature, Nature Materials, Nature Chemistry, Nature Energy和Nature Catalysis等期刊上发表研究论文220余篇,撰写专著一部。申请发明专利近100项,授权30余项,其中国外授权专利13项。
李震宇,中国科学技术大学教授、博士生导师。多年来一直致力于分子尺度的物性与机理研究。研究成果在国际刊物上发表论文140余篇,被引用6200 余次(H-index 为42)。
2006年全国优秀博士学位论文作者,入选2008年教育部新世纪优秀人才支持计划,获得2018年度国家自然科学基金委国家杰出青年科学基金项目资助。
研究组从材料的电子结构出发,采用多尺度计算与模拟方法,对材料物性、薄膜生长、化学反应、电子输运、分子光谱等进行研究,涉及化学、物理、材料以及生物等多学科交叉。
1.动力学过程与化学反应的微观机理;
2.功能材料的理论设计与计算表征;
3.分子器件的输运性质;
4.密度泛函理论及相关数值方法
陶新永,教授,博士生导师。博士毕业于浙江大学,先后加入美国南卡大学、斯坦福大学从事博士后、访问学者研究。
现任科学技术研究院副院长(主持工作),材料科学与工程学院副院长,国家杰出青年科学基金、国家优秀青年科学基金、浙江省杰出青年基金获得者,获教育部“新世纪优秀人才支持计划”、浙江省“钱江高级人才”计划支持,入选浙江省“151人才工程”第一层次、浙江省“高校领军人才培养计划”创新领军人才。
主要从事新型储能材料基础理论及应用研究,近年来主持国家自然科学基金和省部级项目13项,主持和参与企业应用项目20余项;共发表SCI收录论文180余篇,以第一或通讯作者在Science、Nat. Energy、Nat. Commun.、Sci. Adv.、Nano Lett.、ACS Nano、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Energy Mater.等影响因子大于10的期刊上发表60余篇;论文共被引用1.8万次,入选ESI高被引论文21篇,H因子为69;获授权发明专利42项;合作编写英文书籍章节2章;应邀作国际会议邀请报告30余次;应邀担任IEEE-NANO 2013国际会议分会主席、第2届中国能源材料化学研讨会组委会委员、中国化学会第31届年会中新澳青年化学家论坛主席;担任Nature、Nat. Energy、Nat. Commun.、Sci. Adv.、Nano Lett.、ACS Nano、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.等30余个国际知名期刊审稿人或仲裁人。
姚宏斌,1983年12月出生于重庆,现为中国科学技术大学化学系教授、博士生导师。2006年本科毕业于中国科学技术大学化学系;2011年在合肥微尺度国家实验室获得博士学位,导师为俞书宏教授;2012年开始在美国斯坦福大学开展博士后研究工作,合作导师崔屹教授;2015年8月至今在中国科学技术大学化学系从事仿生材料与新能源转换与存储方面的研究工作。
近年来,在Nat. Commun.,Chem. Soc. Rev.,Angew. Chem.,JACS, Nano Letters,Adv. Mater. 等高影响力学术期刊发表了60余篇论文,被SCI引用2600余次,H因子30。其中有8篇论文被选为Angew. Chem.、Adv. Mater. 等杂志的内/外封面。原创性成果多次被NPG Asia Materials, Materials Views China, Chemistry views等在内的众多专业媒体予以亮点报道和专题述评。
文献信息
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
Yin, YC., Yang, JT., Luo, JD. et al. A LaCl
3
-based lithium superionic conductor compatible with lithium metal.
Nature
616, 77–83 (2023).
https://doi.org/10.1038/s41586-023-05899-8
原文链接:
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05815-0
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05899-8
http://sourcedb.dicp.cas.cn/zw/zjrck/200908/t20090820_2428091.html
http://www.hfnl.ustc.edu.cn/detail?id=11451
http://www.hfnl.ustc.edu.cn/detail?id=11471
http://www.homepage.zjut.edu.cn/txy2/
【做计算 找华算】
华算科技专注DFT代算服务、正版商业软件版权、全职海归计算团队,10000+成功案例!
计算内容涉及材料结构、掺杂、缺陷、表面能、吸附能、
能带、
PDOS、
反应路径、OER、HER、ORR、CO2RR、NRR、自由能
台阶图
、火山理论、d带中心、电位、容量、电导率、离子扩散、过渡态+AIMD、HOMO/LUMO、电池
材料、电解液、异质结、
半导体
等
。
用户研究成果已发表在Nature Catalysis、JACS、Angew.、AM、AEM、AFM、EES等国际顶级期刊。
添加下方微信好友,立即咨询(
电话/微信:13129551561
):
点击阅读原文,提交计算需求!
预览时标签不可点
微信扫一扫
关注该公众号
继续滑动看下一个
轻触阅读原文
微算云平台
向上滑动看下一个
知道了
微信扫一扫
使用小程序
取消
允许
取消
允许
:
,
。
视频
小程序
赞
,轻点两下取消赞
在看
,轻点两下取消在看
分享
留言