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

氫化鎂（MgH?）因其高達7.6 wt.%的理論儲氫密度和良好的安全性，被視為最具應用前景的固態儲氫材料之一。然而，其實際應用受限于吸放氫反應動力學緩慢、反應溫度過高。近日，北航能動學院黃建媚副教授、閆曉軍教授團隊與材料學院水江瀾教授團隊合作，報道了一種負載于TiO?載體上的Ni/Co異核雙原子催化劑，在MgH?/Mg儲氫體系中實現了高效雙向催化。相關成果以“Bidirectional catalysts with dual-atom dynamic d-band centre modulation and support self-reconstruction for de/hydrogenation in MgH2/Mg”為題，發表在《Nature Communications》期刊上。文章第一作者是能源與動力工程學院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，北京航空航天大學能源與動力工程學院為第一單位。

論文鏈接：

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

本研究突破傳統單向催化劑的局限，利用Ni與Co兩種金屬原子的電子結構差異，在TiO?載體上構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現功能分工與協同。放氫過程中，Ni作為裂解Mg-H鍵的主要活性位點，Co通過下調Ni的d帶中心進一步削弱Mg-H鍵能；吸氫過程中，Co作為解離H?的主要活性位點，Ni通過上調Co的d帶中心進一步優化H?吸附與解離。這種動態的d帶中心雙向調控機制，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 理論計算預測Ni?Co?@TiO?的雙向催化機制。

得益于上述金屬原子和載體的協同作用，15 wt.% Ni?Co?@TiO?-MgH?復合材料展現出優異的吸放氫性能。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。并且該復合材料在275°C下1分鐘內可釋放超過3 wt.%的氫氣，在30°C室溫條件下30分鐘內仍可吸收3.79 wt.% H?。此外，經過100次吸放氫循環后，其儲氫容量保持率高達97.6%，展現出卓越的循環穩定性（圖2）。

圖2 Ni?Co?@TiO?催化MgH?/Mg的儲氫性能。

此外，本研究系統地揭示了TiO?載體在吸放氫循環中的動態演變。Tix+與氧空位在吸放氫過程中發生可逆的比例變化與價態轉變，即放氫后多數高價Ti轉化為低價Ti并伴隨氧空位增加，吸氫后則恢復至近初始狀態。載體的“自重構”不僅使自身成為電子轉移的媒介，還與Ni/Co原子形成強金屬-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中團聚失活（圖3）。

圖3 Ni?Co?@TiO?雙原子催化劑的雙向催化機制。

本工作提出的“雙原子動態d帶中心調控”與“載體自重構”協同策略，為突破可逆儲氫反應的動力學瓶頸提供了全新思路。這種原子尺度的雙向催化機制不僅有利于解決MgH?/Mg體系的關鍵難題，也為其他涉及可逆化學過程的高效催化劑設計提供了借鑒思路。本研究創制的催化氫化鎂材料，推動了固態儲氫發展與氫能規模化應用。

本文來自：北京航空航天大學

近期學術會議推薦

歡迎留言，分享觀點。點亮?