作為電荷載體，電子和離子在電化學(xué)能量存儲(chǔ)裝置和轉(zhuǎn)換器(例如電池和燃料電池)中起主導(dǎo)作用。質(zhì)子傳導(dǎo)率對后者至關(guān)重要; 質(zhì)子，即帶正電的氫離子，由氫形成，氫用于為燃料電池供電。Empa物理學(xué)家Artur Braun和蘇黎世ETH博士生Qianli Chen在Paul Scherrer研究所(PSI)對瑞士散裂中子源(SINQ)進(jìn)行了中子散射實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)記錄了質(zhì)子在晶格中的遷移率。在這個(gè)過程中，他們觀察到陶瓷燃料電池中的質(zhì)子運(yùn)動(dòng)遵循比以前假設(shè)的更為復(fù)雜的定律：質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)根據(jù)所謂的極化子模型進(jìn)行，正如研究人員最近在期刊中報(bào)道的那樣。自然通訊。
極化子模型
長期以來，俄羅斯物理學(xué)家和最終的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Lev Davidovich Landau于1933年開發(fā)的極化子理論僅適用于電子。該模型描述了電子如何“蠕動(dòng)”通過電介質(zhì)晶體并迫使“干擾”原子離開位置，從而減慢電子的速度。換句話說，極化子是晶體中的運(yùn)動(dòng)波，其擴(kuò)散可以被描述為粒子的軌跡。它們可以被偏轉(zhuǎn)和反射。
電子極化子一直是理論物理學(xué)的支柱，也是專家圈應(yīng)用模型計(jì)算的無可爭議的基礎(chǔ)。相比之下，氫極化子 - 即從一個(gè)位置“跳躍”到另一個(gè)位置的氫離子 - 的存在直到現(xiàn)在才是推測理論。盡管生物學(xué)家使用跳躍氫原子的模型來解釋某些代謝過程，但固態(tài)物理學(xué)家并未將氫極化子視為有效的解釋模型。
現(xiàn)在可以改變：基于使用釔摻雜的鋇鈰氧化物和氧化鋇鋯晶體的實(shí)驗(yàn)，Braun和Chen設(shè)法證明了質(zhì)子極化子的存在。在干燥狀態(tài)下，這些晶體是不導(dǎo)電的。然而，如果它們暴露在蒸汽氣氛中，則在晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成OH基團(tuán)。然后，釋放的質(zhì)子可以以波狀方式移動(dòng)，并且氧化物變得離子導(dǎo)電。熱和高壓提供證據(jù)
Braun和Chen通過在不同的高壓條件和高達(dá)600攝氏度的溫度下研究晶體，發(fā)現(xiàn)了氫離子波的證據(jù)。Empa在科學(xué)界的良好連通性至關(guān)重要：樣品在PSI的中子源上進(jìn)行了X射線照射，并且與法蘭克福歌德大學(xué)地球科學(xué)/地理學(xué)院的研究人員一起進(jìn)行了晶體高壓實(shí)驗(yàn)。
結(jié)果：在220和520度之間的溫度下，電導(dǎo)率增加到與晶體晶格振動(dòng)的模型計(jì)算中預(yù)測的完全相同的程度。因此，質(zhì)子最初結(jié)合在晶格中，并且在加熱時(shí)在晶格振動(dòng)的同時(shí)開始從一個(gè)OH基團(tuán)跳過晶體到另一個(gè)OH基團(tuán)。如果使用特殊的壓實(shí)機(jī)將晶體暴露在高壓下，則質(zhì)子跳躍的空間較小，導(dǎo)電率再次下降。這證明極化子模型適用于電子和質(zhì)子。“誰知道，也許這個(gè)理論也適用于鋰等其他離子，”Braun推測道。
Empa研究人員的研究結(jié)果很快就會(huì)產(chǎn)生關(guān)于燃料電池和儲(chǔ)氫系統(tǒng)材料選擇的重要信息 - 從而影響未來的能源供應(yīng)。然而，現(xiàn)在陶瓷絕緣子的行為也可以更有效地進(jìn)行測量：在潮濕的外部空氣中，它們是否仍能在高溫下隔離良好?或者是否會(huì)產(chǎn)生可歸因于極化子傳導(dǎo)的電流泄漏?由于Braun和Chen的項(xiàng)目由瑞士國家科學(xué)基金會(huì)(SNSF)資助，因此可以解決某些材料科學(xué)問題。