重庆大学潘复生院士团队鲁杨帆、李谦等AFM综述：镁基固态储氢材料最新研究进展

---

---

第一作者：王泓元

通讯作者：鲁杨帆、李谦

通讯单位：重庆大学

全文速览

镁基储氢材料因其高储氢密度、低成本和高安全性等特点，作为解决氢储运的重要解决方案之一受到广泛关注。然而，脱氢温度高、平衡压力低、吸放氢速率慢，阻碍了它们的实际应用。文章首先概述了通过复合化、掺杂催化剂、合金化和纳米化等策略提高储氢材料热力学和动力学性能的机理，研究了可能实现镁基储氢材料突破的前沿工艺。然后，论文讨论了多目标性能的协同优化在未来镁基储氢材料的发展和应用方向，旨在促进多相、多元体系的开发效率。最后，论文总结了每种方法的优势和局限性，提出了实现脱氢温度适中、储氢密度高、循环寿命长的储氢材料的潜在策略。

图1 优化镁基储氢材料热力学和动力学性能的策略

图文导读

1. 复合化策略

复合化是通过将Mg/MgH ₂ 和复合氢化物组合在一起，形成“类RHC系统”、“RHC系统”和“H+/H-系统”来实现对镁基储氢材料的热力学优化。本文全面总结了镁基二元复合体系MgH ₂ -LiAlH ₄ 、MgH ₂ -LiBH ₄ 、MgH ₂ -LiNH ₂ 和三元复合体系MgH ₂ –LiNH ₂ –MBH ₄ (M = Li, Ca, Mg)、MgH ₂ –LiBH ₄ –LiAlH ₄ 的反应机制和研究进展。相比于镁基二元复合体系，三元复合体系由于改善了动力学性能和循环寿命而受到广泛关注。然而，复合体系自身副反应问题导致了循环性能和动力学性能的降低。因此，建立多相体系间的选择性反应机制可能是镁基复合储氢材料亟需解决的问题。

图2 镁基复合体系的焓变策略及稳定相形成机理图

2. 催化剂添加

添加催化剂可以在镁基储氢材料中引入催化活性中心，进而优化镁基储氢材料的动力学特性。本文首先介绍了传统单过渡金属催化剂对氢解离和氢扩散的矛盾关系。为了打破催化标度关系，系统总结了多元多组分催化剂的设计改进及其负载方法的演变。例如，通过使用双过渡金属氧化物前驱体可以在镁基体内原位形成纳米级的合金催化剂，在增进催化活性的同时保证了在长循环过程中的稳定催化效应。然而，过渡金属氧化物体系价态不可控导致催化机理不明确和氧化镁的形成对储氢容量和动力学的不利影响限制了催化剂的进一步发展。因此，开发价态可控的高效稳定催化剂是必要的。考虑到Ti基氧化物在反应温度下不会被还原，作者建议设计一种价态可控的Ti基化合物作为催化剂，并揭示Ti ‒ H相互作用的大小和Ti价态之间的关系。

图3 镁基储氢材料中催化剂的材料设计和负载方法

3. 纳米化

实现Mg/MgH ₂ 的纳米化可以同时优化镁基储氢材料的热力学和动力学性能，是一种具有广阔前景的方法。为了尽可能地减少Mg/MgH ₂ 的尺寸以获得更优的性能，气相或化学还原方法常被用于纳米Mg/MgH ₂ 的制备。然而，这些方法要实现大规模生产是极具挑战性的。与这些方法相比，球磨可以以更低的成本实现纳米化。值得注意的是，利用溶剂效应的湿法球磨可以得到大约50 nm尺寸的Mg，但其纳米化机制仍不明确。除此之外，在大规模生产中，还需要保护Mg/MgH ₂ 的表面结构，以避免材料着火。因此，研究球磨过程中的溶剂效应和开发Mg/MgH ₂ 的表面保护是今后研究的重要方向。

图4 不同尺寸纳米储氢材料的氢扩散图及其制备方法

4. 合金化

合金化是通过在Mg中引入过渡金属，形成多种Mg基合金和金属间化合物。由于过渡金属的引入显著影响材料的晶体结构和电子结构，能对镁基储氢材料的热力学/动力学性能产生协同优化。例如，镁基固溶体合金可以将焓变降低至45 kJ mol ^-1 ，含镁高熵合金可以将吸氢温度降低至室温。然而，镁基亚稳合金的局限性在于理论储氢容量低和循环寿命差。富镁合金可通过氢诱导分解生成纳米级MgH ₂ 、Mg ₂ NiH ₄ 和ReH _x 来优化镁基合金动力学和高容量长循环寿命，但富镁合金的原位分解将导致对热力学调控有限。因此，需要对镁基合金的成分、制备方法和相改性进行改良以满足对镁基储氢材料热/动力学的协同优化。

图5 镁基室温储氢合金及镁基高熵合金

5. 性能预测

合金化和复合化等方式的广泛应用，使得镁基储氢材料不可避免地向多元多相体系发展。这导致开发一种新型镁基储氢材料需要考虑更多的参数和更多的性能，材料设计更加耗时。为了实现高效的材料设计，需要对材料的储氢性能进行预测。因此，以综合计算材料工程(ICME)、材料基因组计划(MGI)为代表的多尺度的计算方法，如第一性原理计算(DFT)、相图计算(CALPHAD)、气固反应动力学模型、机器学习(ML)等正逐渐应用于镁基储氢材料设计中。虽然，通过上述方法目前已实现了储氢容量、反应焓、吸放氢速率等单目标的可靠预测，但所预测的各性能之间是相互独立的，在镁基储氢材料的设计中实现多目标预测仍然具有挑战性。通过整合多种计算方法，实现镁基储氢材料多目标性能的协同优化是未来储氢合金设计的发展方向。

图6 预测镁基储氢材料的潜在计算/模拟方法

总结与展望

(1) 复合化是指将Mg/MgH ₂ 和复合氢化物组合成新的镁基储氢系统，该体系的优势在于可以有效地降低反应焓变，从而实现热力学调控，但多相的引入将导致副反应的不可控，从而对动力学和循环性能带来挑战。因此，该方法未来的潜在研究方向在于建立多相体系间的选择性反应机理，优化吸放氢速率和循环稳定性。

(2) 催化剂的掺杂可在镁基储氢材料中引入活性位点，加快对氢气的吸收和脱附。该方法的优势在于可以通过调控催化剂和氢的相互作用优化对氢气的解离和扩散效果，以提高动力学性能。然而，多元催化剂催化机理的不明确限制了镁基储氢材料中催化剂的发展。未来的潜在研究方向为设计价态可控的低成本过渡金属催化剂并揭示催化剂 ‒ 氢相互作用的大小和价态之间的关系。

(3) 纳米化可以通过改变表面结构和能量来控制材料的自由能，进而优化镁基储氢材料热力学性能。除此之外，还可以通过减小氢化物Mg的粒径和引入表面缺陷来提高动力学性能。但是该方法的局限性在于通过气相或化学还原方法实现大规模生产是极具挑战性的，因此，研究溶剂辅助球磨法制备镁纳米颗粒是今后研究的重要方向。

(4) 合金化是通过在Mg中引入过渡金属，形成富镁合金或镁基亚稳合金。和镁基亚稳合金相比，富镁合金的优势在于多由传统的熔融方法制备，具有工业化的潜力。然而，要富镁合金在氢诱导后实现多相的均匀分布是有挑战的。因此，未来的潜在研究方向在于对镁基合金的成分、制备方法进行优化。

(5) 基于第一性原理计算(DFT)、相图计算(CALPHAD)、气固反应动力学模型、机器学习(ML)等多尺度计算方法，已实现了储氢容量、反应焓、吸放氢速率等单目标的可靠预测。将多种计算方法进行整合，实现镁基储氢材料多目标性能的协同优化是未来储氢合金设计的发展方向。

文献信息

标题：Thermodynamic and Kinetic Regulation for Mg-based Hydrogen Storage Materials: Challenges, Strategies and Perspectives

期刊：Advanced Functional Materials

链接: https://doi.org/10.1002/adfm.202406639

声明

本文仅用于学术分享，如有侵权，请联系后台小编删除

欢迎关注我们，订阅更多最新消息