上圖為北海道大學(xué)新開發(fā)的質(zhì)子驅(qū)動離子導(dǎo)入（PDII）方法的示意圖。 簡單來講：將電分解氫而產(chǎn)生的質(zhì)子射入離子供應(yīng)源處，然后，離子將會被迫離開源頭處被引入主體材料中。 來源：Fujioka M.等，Journal of the American Chemical Society，2017年11月16日

    北海道大學(xué)的一個研究團隊近期開發(fā)了一種稱為質(zhì)子驅(qū)動離子導(dǎo)入（PDII）的新型材料合成方法，其合成原理可以形象的表示為“離子臺球”的現(xiàn)象。重要的是，這種新合成方法的出現(xiàn)為創(chuàng)造大批量新材料鋪平了道路，更大幅推進了材料科學(xué)的發(fā)展。

    北海道大學(xué)電子科學(xué)研究院助理教授Masaya Fujioka和Junji Nishii教授于2017年11月16日發(fā)表在Journal of American Chemical Society上的研究報告表明，該合成方法基于無液體工藝，即在這種工藝里允許某種物質(zhì)嵌入從而將客體離子插入到主體材料中，所以這個新方法同樣采用這種無液體工藝，即通過質(zhì)子驅(qū)動離子來與主體材料中的離子進行離子取代。

    在過去，早就有報道說明嵌入和離子取代在離子溶液中是可以進行的，但是研究人員認為該過程不僅是麻煩的而且是存在問題的。在基于液體的過程中，溶劑分子可以與客體離子一起插入主體材料中，從而降低主體材料結(jié)晶晶體質(zhì)量。同時在基于液體過程中，將離子均勻地引入主體材料是困難的，而且一些主體材料在液體存在的條件下，可能會失效。

    在PDII方法中，將數(shù)千伏的高電壓施加到存有氫氣的針形陽極上，以通過氫的電解質(zhì)解離產(chǎn)生質(zhì)子。 質(zhì)子沿著電場遷移并被射入所需離子的供給源 處（這個過程極類似于我們打臺球的過程），然后為保持電源的電中性離子將會被驅(qū)出。最后，離開源處的離子將會被引入或插入到主體材料的納米級間隙中。

    圖為PDII方法的詳細原理圖。目的是將銅離子（Cu ）引入主體材料（TaS2）中。 氫離子（H ）與磷酸鹽玻璃中的氧離子化學(xué)鍵合從而產(chǎn)生鈉離子（Na ），然后鈉離子（Na ）再與CuI中的碘離子結(jié)合形成一種碘鈉銅鹽，從而產(chǎn)生銅離子（Cu ），最后將產(chǎn)生的Cu 射入TaS2的納米級間隙中。 在TaS2周圍結(jié)晶出過量的Cu 將會形成的銅金屬結(jié)晶（右圖）。 來源：Fujioka M.等，Journal of the American Chemical Society，2017年11月16日

    在這項研究中，研究團隊通過利用不同的材料作為離子源，成功地將鋰離子（Li ），鈉離子（Na ），鉀離子（K ），銅離子（Cu ）和銀離子（Ag 導(dǎo)入硫化鉭（IV）（TaS2）的納米級間隙，與此同死還保持其結(jié)晶性。此外，研究小組還成功地用K 取代了Na3V2（PO4）3的Na ，生成了一種熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)物質(zhì)，而該物質(zhì)是用傳統(tǒng)的固態(tài)反應(yīng)方法無法獲得的。

    Masaya Fujioka 說“目前，我們已經(jīng)表明，在我們的方法中可以使用氫離子（H ），Li ，Na ，K ，Cu 和Ag 來引入離子，我們期望可以使用更多種類的離子，將其導(dǎo)入各種 主機材料。而且利用我們的方法可以生產(chǎn)許多新材料，特別是，建立一種引入帶負電的離子和多價離子的方法，這將會促進固體離子電池和電子領(lǐng)域新功能材料的發(fā)展。”

    圖為K 代替Na 3 V 2（PO 4）3的Na 而產(chǎn)生的不可用傳統(tǒng)的固態(tài)反應(yīng)方法獲得的熱力學(xué)亞穩(wěn)定材料示意圖。來源：Fujioka M.等，Journal of the American Chemical Society，2017年11月16日

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