欧洲团队揭示水分子一维链驱动钛酸盐室温质子超离子传导
B910化工消息：6月23日消息，Mathilde Arnaud、Guillaume Benas等来自LPEM、INSP、ICMMO、Centre Castaing、MATEIS、CSE、IMPMC等机构的研究团队在arXiv Materials Science提交论文，报道Andersson-Wadsley钙钛矿家族层状碱金属钛酸盐M2Ti2O5（M=K、Rb）水合后的质子传导机制。论文关注的不是简单吸湿现象，而是水分子进入晶体后形成有序一维结构，并与晶体取向相关的快速质子输运相耦合。
研究对象MTO可自发吸收水形成MTO.(H2O)x化合物。团队在低水合度x下通过扫描电子显微镜观察到沿b轴排列的一维非均匀图案；当水含量继续升高，材料会通过生成(001)表面发生自发剥离。密度泛函理论模拟显示，在Rb2Ti2O5中，客体水分子并非随机填充，而是与主体晶体的顶端氧形成强氢键，并在低水合度下沿b轴自组织为一维双链。水含量进一步增加后，体系形成由密集水链构成的水合(001)表面，这一结果与红外光谱测量相吻合。
关键数据在于质子电导的方向性。论文称，Rb2Ti2O5在水合后表现出高度各向异性的质子传导，沿b轴的室温超离子电导达到3 mS/cm。研究团队据此认为，这些有序水链是快速质子传导的结构根源，传导过程很可能由类似Grotthuss机制的质子跳跃驱动。对于化学材料领域，这一结果把“水合层状氧化物”从经验性导电现象推进到可设计的结构单元：如果能够控制晶体取向、层间水含量和氢键网络，就有机会开发低温质子导体、湿敏离子传输材料和固态电化学器件中的新型氧化物平台。 （来源：arXiv Materials Science）
研究对象MTO可自发吸收水形成MTO.(H2O)x化合物。团队在低水合度x下通过扫描电子显微镜观察到沿b轴排列的一维非均匀图案；当水含量继续升高，材料会通过生成(001)表面发生自发剥离。密度泛函理论模拟显示，在Rb2Ti2O5中，客体水分子并非随机填充，而是与主体晶体的顶端氧形成强氢键，并在低水合度下沿b轴自组织为一维双链。水含量进一步增加后，体系形成由密集水链构成的水合(001)表面，这一结果与红外光谱测量相吻合。
关键数据在于质子电导的方向性。论文称，Rb2Ti2O5在水合后表现出高度各向异性的质子传导，沿b轴的室温超离子电导达到3 mS/cm。研究团队据此认为，这些有序水链是快速质子传导的结构根源，传导过程很可能由类似Grotthuss机制的质子跳跃驱动。对于化学材料领域，这一结果把“水合层状氧化物”从经验性导电现象推进到可设计的结构单元：如果能够控制晶体取向、层间水含量和氢键网络，就有机会开发低温质子导体、湿敏离子传输材料和固态电化学器件中的新型氧化物平台。 （来源：arXiv Materials Science）