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氧化物離子導電材料在從氧化燃料電池到氧氣滲透膜的各種應用中得到了廣泛關注，其中氧化物離子遷移機制是設計氧化物離子導電材料的基礎。

2025年2月4日，北京大學孫俊良教授、博雅博士后蔡冠群（現四川大學副研究員）、暨南大學古宇講師、桂林理工大學匡小軍教授在Nature Communications期刊發表題為《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。

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

孫俊良主要從事結構確定方法的發展（包括單晶/粉末衍射和三維電子衍射技術）和無機固體材料的合成及其應用。

匡小軍，桂林理工大學教授，國家優青（2016年）。1999年本科畢業于南昌大學，2004年于北京大學獲博士學位，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、英國Durham大學從事博士后研究。2010年任中山大學副教授，2013年至今任桂林理工大學研究員，博士生導師。

其研究方向為無機材料與固體化學，從事介質材料和固態離子導體等電子功能陶瓷材料的合成，性質、結構及構效關系等基礎研究。

古宇，暨南大學講師，本科、碩士、博士皆就讀于東南大學物理系，2010年獲博士學位，目前任職于暨南大學。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，現四川大學副研究員。2015年本科畢業于北京化工大學，2016年碩士畢業于英國拉夫堡大學，2021年于英國倫敦瑪麗皇后大學獲博士學位。2021年-2023年，北京大學博雅博士后。

其研究反方向包括電子衍射技術在特殊樣品中彌散散射/電子PDF的測量與數據分析；電池正極材料的離子混占與層狀無序結構；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構所引起的反常現象。

受氫鍵網絡中質子擴散的啟發，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體顯示出高氧化物離子導電率，因此被選中。

中子全散射實驗結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多面體旋轉輔助下Te-O次級鍵和共價鍵相互轉變的協同效應。

對原子尺度上類似Grotthuss過程的協同機制的詳細研究，為進一步優化和發展氧化物離子導電材料提供了方向。

圖1：Bi₂Te₂O₇和Bi₂Te₄O₁₁的氧化物離子電導率

圖2：精細結構模型和RMC結果

圖3：Bi₂Te₄O₁₁的共價和次級鍵轉變機制

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同機制，發現其遷移依賴于Te-O次級鍵與共價鍵之間的轉換及Te-O多面體的旋轉，類似于Grotthuss質子傳導機制。

這一發現為設計高性能氧化物離子傳導材料提供了新思路，未來可進一步探索含次級鍵網絡的其他氧化物材料。

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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