一份最新报告称，麻省理工学院（MIT）的研究人员发现了六种新材料，它们显示出作为高效质子导体的潜力，对于燃料电池和氢气生产等清洁能源应用至关重要。MIT 工程师声称这些发现可能彻底改变质子传导，制造出更节能的燃料电池、电解槽、电池或计算设备。通过识别增强质子迁移率的特性，团队锁定了六种可能优于现有材料的候选材料，为高效、低温能源解决方案提供途径。
质子导体：清洁能源的关键
当今大多数电子设备依靠电子运动工作，但能够有效传导质子（氢原子核）的材料，可能是应对全球气候变化的许多重要技术的关键。目前多数可用的质子传导无机材料需要高温才能实现足够高的电导率，而较低温替代品可支持多种技术：更高效耐用的燃料电池（用氢产生清洁电力）、电解槽（制造氢等清洁燃料）、固态质子电池，乃至基于离子电子效应的计算设备。根据对材料行为的计算机模拟，一类称为固体酸的材料特别可能是快速质子导体。
研究进展：发现六种快速质子导体新材料
为推进质子导体发展，MIT 工程师确定了能够产生快速质子传导的材料的某些特性，并据此从庞大数据库中筛出六种有望成为快速质子导体的新候选者，模拟显示其性能将远好于现有材料，但仍需实验验证。研究还提供了对这类材料在原子层面工作机制的深入理解。
质子传导的基本机制是质子"从供氧原子跳跃到受氧原子"，随后环境需重新组织并把接受的质子带走，使其跳跃到下一个邻近受体，实现长距离质子扩散。研究人员研究固体酸材料时发现，其聚阴离子基团亚晶格必须旋转、将质子从其原始位置带走以便转移；团队识别出有助于该亚晶格灵活性的声子（对质子传导至关重要），并据此在理论上和实验上可能的化合物数据库中筛选更好的质子传导材料。结果发现一批此前从未作为质子导体研究的固体酸化合物具有恰到好处的晶格柔性，其中六种材料预测的质子传导速度比现有最好的固体酸质子导体更快。
研究论文《基于聚阴离子基团动力学和质子键合强度揭示快速固体酸质子导体》2024年6月19日发表于《能源与环境科学》，作者为 Pjotrs Žguns、Konstantin Klyukin、Louis S. Wang、Grace Xiong、Ju Li、Sossina M. Haile 和 Bilge Yildiz，DOI：10.1039/D4EE01219D。这项工作得到美国能源部、瓦伦堡基金会和美国国家科学基金会支持。（SciTechDaily）
当前挑战与未来前景
目前主流制氢方法（如蒸汽甲烷重整）排放大量二氧化碳。MIT 教授 Yildiz 指出，以电化学方式从水蒸气制氢"需要非常好的质子导体"，氨等重要工业化学品和潜在燃料的生产也依赖高效电化学系统。然而大多数传导质子的无机材料只能在200至600摄氏度甚至更高温度下工作，维持高温需要能量并可能导致材料降解；"室温下没有良好的无机质子导体"——如今唯一已知的室温质子导体是一种聚合物材料，无法轻易缩小到纳米范围，因而不能用于计算设备。
Yildiz 表示，这些模拟结果存在不确定性，但"看起来非常有前途，希望这能激励实验领域尝试合成不同形式的它们"。将这些理论发现转化为实际设备可能需数年时间，电化学电池的首个应用可能是生产氢和氨等燃料及化学原料。
