近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所王賢龍研究員團隊系統模擬了高壓下氧化鋁(Al2O3)中氫的擴散行為，發現與氧化鋁的常壓相不同，由于螺旋對稱結構的消失，氫在氧化鋁高壓相中極易擴散，其高壓相不適合作為阻氫材料，為遴選高壓下阻氫材料和理解下地幔礦物中元素的擴散行為提供了新的思路。相關成果以“Ultrahigh hydrogen diffusivities in Al2O3 under high pressure”為題發表在Physical Review B (Phys. Rev. B 110, 144310 (2024))上。
 

　　氧化鋁在常壓下具有獨特的螺旋對稱結構，所以表現出優異的阻氫性能。通常認為材料的阻氫性能會隨著壓力的增大而增強，所以在氫相圖、超氫化物超導等關于氫元素的高壓實驗中，氧化鋁被廣泛用來阻止氫滲透到金剛石對頂砧中。然而，氧化鋁的高壓相變對氫擴散行為的影響還沒有得到很好的認識。
 

　　為此，研究人員系統地研究了0-350 GPa下氫在Al2O3不同相中的擴散行為。結果表明，在所研究的三個相中，氫傾向于以氫分子的形式存在，而擴散時氫原子比氫分子更容易。進一步研究發現，與常壓相(corundum)相比，高壓相 (Rh2O3(II)和CaIrO3)中氫氣的擴散能壘顯著降低，僅為前者的10%和50%左右。例如，在80 GPa的壓力下，氫分子在corundum相中的擴散能壘為2.56 eV；而在100 GPa時，該值在Rh2O3(II)相中降至0.24 eV。這是因為在常壓corundum相中，由于螺旋對稱結構的存在，氫在“最穩定狀態—過渡態—最穩定狀態”的擴散過程中，其配位氧原子的數量從6變到3再變到6(6-3-6)，由于在過渡態時氧配位數少，氫擴散過程類似于水流流過一個扭曲的水管，阻力大，所以擴散會更加困難。而在高壓Rh2O3(II)和CaIrO3相中，螺旋對稱結構消失，該過程氧原子配位數量的變化分別為4-4-4和5-3-5，這使得氫在高壓相中擴散得更容易。此外，當氫在具有層狀后鈣鈦礦(PPv)結構的CaIrO3相中擴散時，其擴散能壘在150-350 GPa內幾乎保持恒定，這主要歸因于層內擴散的特點。
 

　　綜上所述，該研究揭示了Al2O3在高壓條件下螺旋對稱結構的消失對其阻氫性能的影響。研究結果表明，超過100 GPa時，Al2O3不再適合作為有效的阻氫材料，而此時未相變的MgO將具有更好的阻氫性能，選擇合適的高壓下阻氫材料時應當充分考慮到材料發生的相變和擴散過程中原子配位數的變化。
 

　　固體物理所博士生朱元芹為該論文第一作者, 王賢龍研究員為通訊作者。該工作得到國家自然基金以及合肥物質院院長基金項目的資助。相關計算工作主要在中國科學院超級計算合肥分中心和合肥先算中心上進行。
 

　　論文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.110.144310
 

　　圖. 氫原子在corundum (a)、Rh2O3(II) (b)、CaIrO3層內(c)和層間(d)中的擴散路徑和能壘。