科学家破解控制钒中氢行为的“量子捷径”

发布日期：2026-07-26 18:44    点击次数：189

了解钒的结构如何影响储氢，有助于设计让氢表现出量子行为的新材料。

东京大学工业科学研究所（IIS）的科学家揭示了晶体对称性在氢的量子行为中所起的作用。这一发现将有助于设计新一代材料，从而塑造以氢为载体的清洁能源技术的下一阶段。

随着世界逐步摆脱化石燃料，风能和太阳能等可再生能源技术不断发展。尽管各国在这些领域投入巨大，但仍有许多场合无法部署此类间歇性能源。风能和太阳能产生的电力非常适合维持电网运行和日常家庭用电，但重工业应用则需要替代能源。

氢被视作这些问题的答案，因为它可以像化石燃料一样燃烧，产生大量能量，却不排放任何碳。然而，氢作为一种高度易燃的燃料，在储存和运输过程中也存在安全风险。要让氢取代化石燃料，用于乘用车的日常行驶甚至大规模工业应用，就必须以极其安全的方式储存和运输。

钒的作用

多年来，科学家已确定钒是一种很有前景的安全储氢候选材料。以固态合金形式使用时，钒极易吸收氢。据估计，这种金属最多可以储存相当于自身重量3.8%的氢。

这是因为氢分子（H₂）在固态合金内部解离，并滑入合金晶格结构中的空隙位置。钒的储氢能力非常强，科学家甚至建议将铁、钛和铬等其他金属与钒合金混合，以便在需要时能够回收所储存的氢。

尽管人们对钒的了解已相当深入，但科学家一直未能解释氢在钒中所表现出的多变行为。通过将氢的结构与扩散测量结果同钒晶体结构内的量子力学计算相结合，IIS的研究人员发现了钒的晶格结构如何控制氢在其中的行为。

研究人员的发现

研究团队发现，氢原子在晶格内的间隙位置之间跳跃。有时，它们表现得像一个经典粒子，需要克服相邻位置之间的能量势垒。有时，这些原子则走“量子捷径”，以类似波的方式在位置之间隧穿。

“我们的结果表明，晶体对称性是控制氢的量子行为的关键，”参与此项工作的IIS研究助理小泽孝弘解释道，“高度对称的结构允许氢发生隧穿，而畸变结构则会抑制这种效应。”

据研究团队介绍，当氢浓度较低时，钒晶体保持对称结构，使得氢原子能够隧穿。随着氢浓度升高，晶体发生畸变，迫使氢表现得更像经典粒子。

“晶体对称性就像控制量子行为开启或关闭的潜在开关，”IIS表面与界面物理学教授福谷克之在新闻稿中补充道，“在对称结构中，氢能找到等效路径，使其能够在位置之间隧穿。”

“破坏这种对称性——正如在较高氢浓度下所发生的那样——隧穿就会被抑制，迫使氢转而依靠热能来在位置之间跳跃。”

弄清钒的结构如何影响储氢，有助于设计能够发挥氢的量子行为、安全携带清洁能源的新材料，从而预示一个清洁能源的未来。

该研究成果已发表于《自然·通讯》（Nature Communications）期刊。

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