顾名思义，今天大多数电子设备通过电子的运动来工作。但能够有效导电质子的材料——氢原子的核——可能是应对全球气候变化的一些重要技术的关键。
目前大多数可用的导质子无机材料需要不理想的高温才能达到足够高的导电性。然而，低温替代品可以使多种技术成为可能，例如更高效和耐用的燃料电池，以从氢中产生清洁电力，电解槽以制造用于运输的清洁燃料如氢，固态质子电池，甚至基于离子电子效应的新型计算设备。
为了推动质子导体的发展，麻省理工学院的工程师们确定了某些材料的特性，这些特性导致快速的质子导电性。利用这些特性，团队定量识别出六种新的候选材料，这些材料在快速质子导电性方面显示出潜力。模拟表明，这些候选材料的性能将远远优于现有材料，尽管它们仍需通过实验进行验证。除了发现潜在的新材料外，这项研究还提供了对这些材料在原子层面上如何工作的更深入理解。
这些新发现已在期刊 Energy and Environmental Sciences 中 描述，由麻省理工学院的教授Bilge Yildiz和Ju Li、博士后Pjotrs Zguns和Konstantin Klyukin，以及他们的合作者Sossina Haile和她的西北大学学生共同撰写。Yildiz是核科学与工程以及材料科学与工程系的Breene M. Kerr教授。
“在清洁能源转换应用中，例如燃料电池，我们需要质子导体，在这些应用中，我们使用氢来产生无二氧化碳的电力，”Yildiz解释道。“我们希望高效地进行这个过程，因此我们需要能够在这些设备中快速运输质子的材料。”
例如，目前的氢气生产方法，如蒸汽甲烷重整，排放大量二氧化碳。“消除这一点的一种方法是通过电化学从水蒸气中生产氢气，而这需要非常好的质子导体，”Yildiz说。其他重要工业化学品和潜在燃料的生产，如氨，也可以通过高效的电化学系统进行，这些系统需要良好的质子导体。
但大多数导质子的无机材料只能在200到600摄氏度（大约450到1100华氏度）或更高的温度下工作。这种温度需要能量来维持，并可能导致材料的降解。“提高温度并不是理想的，因为这使整个系统变得更加复杂，材料的耐久性也成为一个问题，”Yildiz说。“在室温下没有好的无机质子导体。”今天，唯一已知的室温质子导体是一种聚合物材料，由于无法轻易缩小到纳米级，因此在计算设备中的应用并不实用，她说。
为了解决这个问题，团队首先需要对质子导电性如何工作进行基本的定量理解，研究一类称为固体酸的无机质子导体。“首先必须了解是什么决定了这些无机化合物中的质子导电性，”她说。在观察材料的原子结构时，研究人员识别出一对与材料的质子携带潜力直接相关的特征。
正如Yildiz所解释的，质子导电性首先涉及质子“从供体氧原子跳跃到受体氧原子。然后环境必须重新组织并带走接受的质子，以便它可以跳到另一个相邻的受体，从而实现长距离的质子扩散。”她说，这一过程发生在许多无机固体中。弄清楚最后一步是如何工作的——原子晶格如何重新组织以将接受的质子从原始供体原子中带走——是这项研究的关键部分，她说。
研究人员使用计算机模拟研究了一类称为固体酸的材料，这些材料在200摄氏度以上成为良好的质子导体。这类材料具有一种称为多阴离子组亚晶格的亚结构，这些组必须旋转并将质子从其原始位置带走，以便它可以转移到其他位置。研究人员能够识别出对该亚晶格的灵活性至关重要的声子，这对于质子导电性是必不可少的。然后，他们利用这些信息在理论和实验上可能的化合物的庞大数据库中进行筛选，以寻找更好的质子导电材料。
结果，他们发现了一些有前景的固体酸化合物，这些化合物已经为各种不同的应用开发和生产，但从未作为质子导体进行研究；这些化合物恰好具有适当的晶格灵活性。团队随后对他们在初步筛选中识别出的特定材料在相关温度下的表现进行了计算机模拟，以确认它们作为燃料电池或其他用途的质子导体的适用性。果然，他们发现六种有前景的材料，其预测的质子导电速度快于现有的最佳固体酸质子导体。
“这些模拟中存在不确定性，”Yildiz警告道。“我不想确切地说导电性会提高多少，但这些看起来非常有前景。希望这能激励实验领域尝试以不同形式合成它们，并利用这些化合物作为质子导体。”
将这些理论发现转化为实际设备可能需要数年时间，她说。最有可能的首个应用将是用于电化学电池，以生产氢气和氨等燃料和化学原料，她说。
这项工作得到了美国能源部、瓦伦贝格基金会和美国国家科学基金会的支持。
