固体晶格中的原子/离子的扩散和动力学行为是现代凝聚态领域和材料物理研究中的经典课题。比如在各种储能离子电池中，锂离子在电极材料中的快速嵌入和脱出直接关系着电池的充放电性能；而在电致变色、渗透膜、燃料电池和神经元器件等各种应用中，离子在局部电场作用驱动下的扩散也与其性能密切相关。因此如何调控离子或原子在晶格中的扩散行为，并实现快速可控的离子输运一直是扩散动力学研究的基本问题。
近日，基于合肥光源软X射线吸收和红外光谱技术，邹崇文研究员课题组在二氧化钒(VO2)和三氧化钨(WO3)等氧化物晶体材料体系中的质子和电子迁移进行了系统的研究，提出了电子-质子协同掺杂机制(Nature Comm. 9 (2018) 739; Angew. Chem. Int. Ed., 58 (2019) 13711，并发展了系列新型氧化物功能器件(PNAS 119 (2022) e2120557119；ACS Nano 17 (2023) 9501; Small Methods, 2022, 2200931; Advanced Science 2023, 2300908)。 最近，邹崇文研究员课题组与微尺度物质科学国家研究中心江俊教授课题组合作，在WO3电致变色薄膜中实现了氢原子在固液界面的快速协同扩散。相关研究结果以“Ultrahigh Effective Diffusion in Oxide by Engineering the Interfacial Transporter Channels”为题发表于国际著名期刊 《Nano Letter》上(Nano Lett. 2023, 23, 7297−7302)，并被选为当期封面(Front Cover)。
本研究创新性制备了一种酸溶液/WO3/ITO三明治结构来形成界面输运通道，通过所谓的“job-share”界面协同扩散机制，实现了氢原子在WO3层中的超快扩散。在这种三明治结构中，氢原子的扩散路径分别在酸溶液层（质子通道）和导电ITO层（电子通道）中进行空间分离，最终使得氢原子的有效扩散系数显著增加。更为有趣的是由于WO3所具有电致变色特性，使得这种超快的氢原子扩散可以直接根据WO3的颜色变化而肉眼直接观测到(图1)。
图1.不同结构条件下H原子扩散的光学照片及相应结构示意图
界面电荷极化的第一性原理理论模拟结果与实验观测一致，表明这种这是一种质子和电荷分离的界面协同扩散机制。实验估算了有效扩散系数（Deff），增加了约六个数量级（106倍），远远超过了之前研究中报道的基于浓度梯度扩散的数值。同时实验和模拟结果表明这种扩散策略可以推广到其他体系，从而推动未来对超快混合导体的系统研究。
图2. 不同浓度的酸及不同电导率的衬底对有效扩散系数的影响
国家同步辐射实验室博士生李亮和微尺度物质科学国家研究中心胡旻为论文共同第一作者，国家同步辐射实验室/bwin必赢邹崇文研究员为论文通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金重点项目、我院合肥大科学中心以及中央高校基本业务费的资助。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c01139