北航《Nature Communications》：高容量固態(tài)儲氫最新研究成果！

氫化鎂（MgH?）因其高達(dá)7.6 wt.%的理論儲氫密度和良好的安全性，被視為最具應(yīng)用前景的固態(tài)儲氫材料之一。然而，其實(shí)際應(yīng)用受限于吸放氫反應(yīng)動力學(xué)緩慢、反應(yīng)溫度過高。近日，北航能動學(xué)院黃建媚副教授、閆曉軍教授團(tuán)隊(duì)與材料學(xué)院水江瀾教授團(tuán)隊(duì)合作，報(bào)道了一種負(fù)載于TiO?載體上的Ni/Co異核雙原子催化劑，在MgH?/Mg儲氫體系中實(shí)現(xiàn)了高效雙向催化。相關(guān)成果以“Bidirectional catalysts with dual-atom dynamic d-band centre modulation and support self-reconstruction for de/hydrogenation in MgH2/Mg”為題，發(fā)表在《Nature Communications》期刊上。文章第一作者是能源與動力工程學(xué)院2023級博士研究生靳金龍和2022級碩士研究生章繼月，黃建媚副教授為該論文的通訊作者，北京航空航天大學(xué)能源與動力工程學(xué)院為第一單位。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-026-70604-y

本研究突破傳統(tǒng)單向催化劑的局限，利用Ni與Co兩種金屬原子的電子結(jié)構(gòu)差異，在TiO?載體上構(gòu)筑了原子級分散的異核雙原子催化劑（Ni?Co?@TiO?），通過Ni與Co原子間的電子相互作用實(shí)現(xiàn)功能分工與協(xié)同。放氫過程中，Ni作為裂解Mg-H鍵的主要活性位點(diǎn)，Co通過下調(diào)Ni的d帶中心進(jìn)一步削弱Mg-H鍵能；吸氫過程中，Co作為解離H?的主要活性位點(diǎn)，Ni通過上調(diào)Co的d帶中心進(jìn)一步優(yōu)化H?吸附與解離。這種動態(tài)的d帶中心雙向調(diào)控機(jī)制，解決了可逆儲氫過程對吸氫與放氫的不同催化需求（圖1）。

圖1 理論計(jì)算預(yù)測Ni?Co?@TiO?的雙向催化機(jī)制。

得益于上述金屬原子和載體的協(xié)同作用，15 wt.% Ni?Co?@TiO?-MgH?復(fù)合材料展現(xiàn)出優(yōu)異的吸放氫性能。其放氫起始溫度低至168°C（相較純MgH?降低了212°C），放氫活化能從純氫化鎂的160 kJ/mol降至53.54 kJ/mol，吸氫活化能從87.3 kJ/mol降低至16.71 kJ/mol。并且該復(fù)合材料在275°C下1分鐘內(nèi)可釋放超過3 wt.%的氫氣，在30°C室溫條件下30分鐘內(nèi)仍可吸收3.79 wt.% H?。此外，經(jīng)過100次吸放氫循環(huán)后，其儲氫容量保持率高達(dá)97.6%，展現(xiàn)出卓越的循環(huán)穩(wěn)定性（圖2）。

圖2 Ni?Co?@TiO?催化MgH?/Mg的儲氫性能。

此外，本研究系統(tǒng)地揭示了TiO?載體在吸放氫循環(huán)中的動態(tài)演變。Tix+與氧空位在吸放氫過程中發(fā)生可逆的比例變化與價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)變，即放氫后多數(shù)高價(jià)Ti轉(zhuǎn)化為低價(jià)Ti并伴隨氧空位增加，吸氫后則恢復(fù)至近初始狀態(tài)。載體的“自重構(gòu)”不僅使自身成為電子轉(zhuǎn)移的媒介，還與Ni/Co原子形成強(qiáng)金屬-載體相互作用，既加速了界面電荷遷移，又有效錨定金屬原子防止其在高溫循環(huán)中團(tuán)聚失活（圖3）。

圖3 Ni?Co?@TiO?雙原子催化劑的雙向催化機(jī)制。

本工作提出的“雙原子動態(tài)d帶中心調(diào)控”與“載體自重構(gòu)”協(xié)同策略，為突破可逆儲氫反應(yīng)的動力學(xué)瓶頸提供了全新思路。這種原子尺度的雙向催化機(jī)制不僅有利于解決MgH?/Mg體系的關(guān)鍵難題，也為其他涉及可逆化學(xué)過程的高效催化劑設(shè)計(jì)提供了借鑒思路。本研究創(chuàng)制的催化氫化鎂材料，推動了固態(tài)儲氫發(fā)展與氫能規(guī)模化應(yīng)用。

本文來自：北京航空航天大學(xué)

近期學(xué)術(shù)會議推薦

歡迎留言，分享觀點(diǎn)。點(diǎn)亮?