顾名思义，今天的大多数电子设备都是通过电子的运动来工作的。但是，能够有效传导质子(氢原子的原子核)的材料可能是对抗全球气候变化的许多重要技术的关键。

目前可用的大多数质子导电无机材料都需要不理想的高温才能达到足够高的导电性。然而，更低温度的替代品可以实现各种技术，例如更高效和耐用的燃料电池，从氢气中产生清洁的电力，电解槽，制造清洁燃料，如运输用氢，固态质子电池，甚至是基于离子电子效应的新型计算设备。

为了推进质子导体的发展，麻省理工学院的工程师们已经确定了材料的某些特性，这些特性可以产生快速的质子传导。利用这些特性，研究小组确定了六个新的候选材料，它们有望成为快速质子导体。模拟表明，这些候选材料的性能将远远好于现有材料，尽管它们仍需要实验验证。除了发现潜在的新材料外，这项研究还在原子水平上对这些材料的工作原理有了更深入的了解。

麻省理工学院教授Bilge Yildiz和Ju Li，博士后Pjotrs Zguns和Konstantin Klyukin，以及他们的合作者Sossina Haile和她来自西北大学的学生在《能源与环境科学》杂志上发表了一篇论文，描述了这些新发现。Yildiz是核科学与工程系和材料科学与工程系的Breene M. Kerr教授。

Yildiz解释说:“质子导体在清洁能源转换应用中是需要的，比如燃料电池，我们使用氢来产生无二氧化碳的电力。”“我们希望有效地完成这个过程，因此我们需要能够快速通过这种设备传输质子的材料。”

目前的制氢方法，例如蒸汽甲烷重整，会排放大量的二氧化碳。“消除这一问题的一种方法是用电化学方法从水蒸气中产生氢，而这需要非常好的质子导体，”Yildiz说。其他重要的工业化学品和潜在燃料(如氨)的生产也可以通过需要良好质子导体的高效电化学系统进行。

但是大多数传导质子的无机材料只能在200到600摄氏度(大约450到1100华氏度)甚至更高的温度下工作。这样的温度需要能量来维持，并可能导致材料的降解。Yildiz说:“高温是不可取的，因为这会使整个系统更具挑战性，而且材料的耐久性也会成为一个问题。”“在室温下没有好的无机质子导体。”她说，目前，唯一已知的室温质子导体是一种聚合物材料，这种材料不适合应用于计算设备，因为它不容易缩小到纳米级。

为了解决这个问题，研究小组首先需要对质子传导的原理有一个基本的定量理解，他们采用了一种叫做固体酸的无机质子导体。“人们必须首先了解是什么控制着这些无机化合物中的质子传导，”她说。在观察材料的原子构型时，研究人员发现了一对与材料的质子携带潜力直接相关的特征。

正如耶尔德兹解释的那样，质子传导首先涉及质子“从供体氧原子跳到受体氧原子上”。然后环境必须重组并带走被接受的质子，这样它就可以跳到另一个邻近的受体上，从而实现远距离质子扩散。”她说，这个过程发生在许多无机固体中。她说，弄清楚最后一部分是如何工作的——原子晶格是如何重组以从原始供体原子中带走被接受的质子的——是这项研究的关键部分。

研究人员使用计算机模拟来研究一类被称为固体酸的材料，这种材料在200摄氏度以上成为良好的质子导体。这类材料有一个叫做聚阴离子基亚晶格的亚结构，这些亚晶格必须旋转，把质子从原来的位置带走，这样它就可以转移到其他位置。研究人员能够识别出有助于这种亚晶格柔韧性的声子，这对质子传导至关重要。然后，他们利用这些信息在理论上和实验上可能存在的化合物的庞大数据库中进行梳理，以寻找更好的质子传导材料。

结果，他们发现固体酸化合物是很有前途的质子导体，它们已经被开发和生产用于各种不同的应用，但从未作为质子导体进行过研究;结果证明，这些化合物具有晶格柔韧性的正确特征。然后，研究小组对他们在最初筛选中确定的特定材料在相关温度下的表现进行了计算机模拟，以确认它们作为燃料电池或其他用途的质子导体的适用性。果然，他们发现了六种很有前途的材料，它们的质子传导速度比现有最好的固体酸质子导体要快。

“这些模拟存在不确定性，”耶尔迪兹警告说。“我不想确切地说电导率会提高多少，但这些看起来很有希望。希望这能激励实验领域尝试以不同形式合成它们，并利用这些化合物作为质子导体。”

她说，将这些理论发现转化为实际设备可能需要几年时间。她说，第一个可能的应用将是电化学电池生产燃料和化学原料，如氢和氨。

这项工作得到了美国能源部、瓦伦堡基金会和美国国家科学基金会的支持。