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氧化物離子導(dǎo)電材料在從氧化燃料電池到氧氣滲透膜的各種應(yīng)用中得到了廣泛關(guān)注，其中氧化物離子遷移機制是設(shè)計氧化物離子導(dǎo)電材料的基礎(chǔ)。

2025年2月4日，北京大學(xué)孫俊良教授、博雅博士后蔡冠群（現(xiàn)四川大學(xué)副研究員）、暨南大學(xué)古宇講師、桂林理工大學(xué)匡小軍教授在Nature Communications期刊發(fā)表題為《Cooperative mechanisms of oxide ion conduction in tellurites with secondary bond interactions and Grotthuss-like processes》的研究論文，朱振宇、蔡冠群為論文共同第一作者，孫俊良教授、匡小軍教授、蔡冠群博士、古宇講師為論文共同通訊作者。

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孫俊良，北京大學(xué)博雅長聘教授，博導(dǎo)，國家杰青。2001年、2006年于北京大學(xué)分別獲學(xué)士學(xué)位、博士學(xué)位（導(dǎo)師：林建華教授）；2006年-2007年先后于美國康奈爾大學(xué)、瑞典斯德哥爾摩大學(xué)從事博士研究。2009年-2012年任瑞典斯德哥爾摩大學(xué)助理教授，2012年任北京大學(xué)研究員。

孫俊良主要從事結(jié)構(gòu)確定方法的發(fā)展（包括單晶/粉末衍射和三維電子衍射技術(shù)）和無機固體材料的合成及其應(yīng)用。

匡小軍，桂林理工大學(xué)教授，國家優(yōu)青（2016年）。1999年本科畢業(yè)于南昌大學(xué)，2004年于北京大學(xué)獲博士學(xué)位，師從荊西平副教授和林建華教授。2004年-2010年，先后在英國Liverpool大學(xué)、英國Durham大學(xué)從事博士后研究。2010年任中山大學(xué)副教授，2013年至今任桂林理工大學(xué)研究員，博士生導(dǎo)師。

其研究方向為無機材料與固體化學(xué)，從事介質(zhì)材料和固態(tài)離子導(dǎo)體等電子功能陶瓷材料的合成，性質(zhì)、結(jié)構(gòu)及構(gòu)效關(guān)系等基礎(chǔ)研究。

古宇，暨南大學(xué)講師，本科、碩士、博士皆就讀于東南大學(xué)物理系，2010年獲博士學(xué)位，目前任職于暨南大學(xué)。其研究方向為石墨烯的自旋電子輸運、納米材料的能帶計算。

蔡冠群，現(xiàn)四川大學(xué)副研究員。2015年本科畢業(yè)于北京化工大學(xué)，2016年碩士畢業(yè)于英國拉夫堡大學(xué)，2021年于英國倫敦瑪麗皇后大學(xué)獲博士學(xué)位。2021年-2023年，北京大學(xué)博雅博士后。

其研究反方向包括電子衍射技術(shù)在特殊樣品中彌散散射/電子PDF的測量與數(shù)據(jù)分析；電池正極材料的離子混占與層狀無序結(jié)構(gòu)；多孔材料主客體相互作用；分子取向，多面體畸變等無序局域結(jié)構(gòu)所引起的反?，F(xiàn)象。

受氫鍵網(wǎng)絡(luò)中質(zhì)子擴散的啟發(fā)，作者報道了與碲化物中氧化物離子遷移類似Grotthuss過程的配位多面體協(xié)同機制。由于Bi₂Te₂O₇和Bi₂Te₄O₁₁具有與氫鍵相似的次級鍵的豐富性，并作為電子和離子混合導(dǎo)體顯示出高氧化物離子導(dǎo)電率，因此被選中。

中子全散射實驗結(jié)合逆蒙特卡羅模擬表明，這兩種碲酸鹽中的氧化物離子遷移是Te-O多面體旋轉(zhuǎn)輔助下Te-O次級鍵和共價鍵相互轉(zhuǎn)變的協(xié)同效應(yīng)。

對原子尺度上類似Grotthuss過程的協(xié)同機制的詳細研究，為進一步優(yōu)化和發(fā)展氧化物離子導(dǎo)電材料提供了方向。

圖1：Bi₂Te₂O₇和Bi₂Te₄O₁₁的氧化物離子電導(dǎo)率

圖2：精細結(jié)構(gòu)模型和RMC結(jié)果

圖3：Bi₂Te₄O₁₁的共價和次級鍵轉(zhuǎn)變機制

圖4：離子遷移機理

本研究揭示了Bi₂Te₂O₇和Bi₂Te₄O₁₁中氧化物離子遷移的協(xié)同機制，發(fā)現(xiàn)其遷移依賴于Te-O次級鍵與共價鍵之間的轉(zhuǎn)換及Te-O多面體的旋轉(zhuǎn)，類似于Grotthuss質(zhì)子傳導(dǎo)機制。

這一發(fā)現(xiàn)為設(shè)計高性能氧化物離子傳導(dǎo)材料提供了新思路，未來可進一步探索含次級鍵網(wǎng)絡(luò)的其他氧化物材料。

Zhu, Z., Cai, G., Feng, Y. et al. Cooperative mechanisms of oxide ion conduction in tellurites with secondary bond interactions and Grotthuss-like processes. Nat. Commun., (2025).

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