镁基储氢材料纳米化研究进展

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.240264

摘要/Abstract

摘要：

氢能被认为是一种可替代化石燃料，是实现碳减排目标的理想载体。高性能储氢材料的开发、利用和改性是氢能经济发展的关键。氢化镁（MgH₂）具有质量储氢密度高、成本低廉和环境友好等特点，在固态储氢材料领域备受关注。然而，MgH₂缓慢的吸/放氢动力学性能和高的热力学稳定性在一定程度上限制了其实际应用。近年来，大量研究工作聚焦于镁基储氢材料的热/动力学改性，并取得了大量成果。通过回顾国内外相关文献，综述了改善镁基固态储氢材料储氢性能的最新研究进展，着重介绍了纳米化研究方法对Mg/MgH₂体系不同维度纳米结构的研究现状，旨在为开发性能卓越的先进镁基氢储存材料提供见解和指导。

关键词: 镁基储氢材料, 纳米材料, 储氢性能

Abstract:

Hydrogen energy is considered to be an ideal fuel that can replace fossil fuels and achieve carbon emission reduction goals. The development， utilization and modification of high-performance hydrogen storage materials are the key to the development of hydrogen energy economy. Magnesium hydride （MgH₂） has the characteristics of high mass hydrogen storage density， low cost， and environmental friendliness， and has attracted much attention in the field of solid hydrogen storage materials. However， the slow hydrogen absorption/desorption kinetics and high thermodynamic stability of MgH₂ limit its practical application to a certain extent. In recent years， a lot of research work has focused on the thermal/kinetic modification of magnesium-based hydrogen storage materials， and a lot of results have been achieved so far. This paper reviews the latest research progress on improving the hydrogen storage properties of Mg-based solid hydrogen storage materials by reviewing relevant literature at home and abroad， and focuses on the research status of nanoscale research methods on nanostructures of different dimensions in Mg/MgH₂ systems， aiming to provide insights and guidance for the development of advanced Mg-based hydrogen storage materials with excellent performance.

Key words: Mg-based hydrogen storage materials, Nanomaterials, Hydrogen storage performance

中图分类号:

O614.2

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图/表 11

图1 金属Mg （A）、β-MgH2 （B）和γ-MgH2 （C）的晶体结构示意图［19］

Fig.1 Schematic diagram of crystal structure of metal Mg （A）， β-MgH2 （B） and γ-MgH2 （C）［19］

图2 0D球体和簇（A）； 1D纳米纤维、线和棒（B）； 2D膜、片和网络（C）和3D纳米材料的示意图［24］

Fig.2 Schematic diagram of 0D spheres and clusters （A）， 1D nanofibers， wires and rods （B）， 2D films， plates， and networks （C） and 3D nanomaterials［24］

图3 超细MgH2纳米颗粒储氢性能测试图：（A） TPD-MS；（B） TGA；（C） 200 ℃等温TGA放氢；（D） 30 ℃等温放氢；（E）程序升温吸氢曲线；（F）等温吸氢曲线；（G） Van't Hoff曲线；（H） Arrhenius曲线；（I）循环性能图［39］

Fig.3 Hydrogen storage performance test chart of ultra-fine MgH2 nanoparticles：（A） TPD-MS；（B） TGA；（C） Isothermal TGA dehydrogenation at 200 ℃；（D） Isothermal TGA dehydrogention at 30 ℃；（E） Hydrogen nation with temperatare curves；（F） Isothermal hydrogenation curves；（G） Van't Hoff plot；（H） Arrhenius plots；（I） Cycling stobility［39］

图4 （A） Mg颗粒的电化学形成示意图、（B） XRD图、（C） HRTEM图、（D） STEM分布图、（E）放氢过程稳定性、（F）不同温度下的吸氢动力学和（G）不同温度下的放氢动力学［42］

Fig.4 （A） Schematic diagram of electrochemical formation of Mg particles，（B） XRD patterns，（C） HRTEM image，（D） STEM elemental mapping，（E） thermal stability，（F） hydrogen absorption kinetics and （G） hydrogen desorption kinetics［42］

图5 在不同基底温度（Ts）下沉积的MgH2薄膜的SEM断裂截面图［66］Ts/℃： A. 50； B. 37； C. 28

Fig.5 SEM fracture sections of MgH2 films deposited at different substrate temperatures （Ts）［66］

图6 AFM图像显示250 nm厚的镁膜的典型表面形态［73］

Fig.6 AFM images show typical surface morphology of a 250 nm thick magnesium film［73］

图7 纳米Ti层薄膜吸氢机理示意图［85］

Fig.7 Schematic diagram of hydrogen absorption mechanism of nano-Ti layer film［85］

图8 镁纳米线的SEM图像：样品1（A、B）30~50 nm、样品2（C、D）80~100 nm、样品3（E、F）150~170 nm；样品1的TEM（G、H）和 HRTEM（I）图像［100］

Fig.8 SEM images of magnesium nanowires： sample 1 （A， B） 30~50 nm， sample 2 （C， D） 80~100 nm， sample 3 （E， F） 150~170 nm； TEM （G， H） and HRTEM （I） images of sample 1［100］

图9 Mg纳米线吸氢反应和脱氢反应的反应能垒示意图［100］

Fig.9 Schematic diagram of reaction energy barriers for hydrogen absorption and dehydrogenation reactions of Mg nanowires［100］

图10 不同尺寸Mg/MgH2的热力学性质（A）和其电子结构示意图：分子（B），纳米线（C），块体（D）［103］

Fig.10 Schematic diagram of thermodynamic properties （A） and electronic structure among molecules （B）， nanowires （C）， and bulk （D） of Mg/MgH2［103］

图11 （A）通过电化学方法合成的Mg胶体的TEM图像；（B）在85 ℃下，MgH2（吸附态）和Mg胶体（非吸附态）的MgH2解吸的质谱；（C、D） Mg胶体在H2O吸收（吸附状态）和解吸（非吸附状态）后的TG-DSC信号［106］

Fig.11 （A） TEM image of the Mg colloid synthesized by electrochemical method；（B） Mass spectrometry of H2 desorption for the MgH2 （hydrided state） and the Mg colloids （non-hydrided state） at 85 ℃；（C， D） TG-DSC signals of the Mg colloid after H2 absorption （hydrided sate） and desorption （non-hydrided state）［106］

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摘要

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