西安工大新能源研究院, 常温电控固态储氢技术最新《AFM》- 大数跨境

首页

西安工大新能源研究院, 常温电控固态储氢技术最新《AFM》

科学材料站

2025-07-23

导读：西安工大新能源研究院, 常温电控固态储氢技术最新《AFM》

科学材料站

文章信息

第一作者：高勇

通讯作者：潘洪革、夏振海、陈建、杨亚雄、张伟、郑伟涛、张静、张利鹏

第一单位：西安工业大学

文章链接： https://doi.org/10.1002/adfm.202505188

科学材料站

研究背景

相较高压气态和低温液态储氢，固态储氢有突出优势作为未来安全性高、技术性强、经济性好、环境兼容性优的高效大规模储氢方式。但作为当前主要的两类固态储氢材料，即化学反应型储氢材料和物理吸附型储氢材料的研究仍无法从原理上实现优势性能的兼容。主要存在两个问题：1）化学反应型和物理吸附型储氢材料无法实现吸氢强度的平衡从而导致无法兼具两种材料的性能优势；2）当前固态储氢材料均通过温度T和压强P两种外部刺激信号进行材料吸放氢过程的控制从而造成材料吸放氢容量、速率以及循环稳定性受限。这是由于温度和压强信号的响应缓慢，以及储氢材料自身热传导及高温结构不稳定等因素制约。

因此，本研究提出一种超越以往固态储氢材料设计范式的新型固态储氢材料，即，基于非裂解型化学吸附的电致可控智能储氢材料。此储氢材料的设计主要结合了一种新颖的非裂解型化学吸附机制，即将不同的金属单原子负载在p-block元素掺杂的高比表面积多孔碳上，通过原子层面的结构调控控制H₂分子吸附强度介于化学反应与物理吸附之间，最终实现两种储氢材料性能的兼容。同时，引入智能材料能够在外界刺激下（如pH，温度，压强，电场等）迅速改变其自身性质（如润湿性、粘附力、光学性能等）的特征，通过纳米尺度孔结构的设计调控外电场在材料内部的梯度分布等从而实现其对氢气分子传输动力学以及吸附强度的控制，用操作简便，响应迅速的电信号取代温度压强信号，实现不同的功能和操作控制智能化，最终设计制备出新一代电控智能储氢材料。

科学材料站

成果简介

有鉴于此，近日，西安工业大学新能源科学与技术研究院潘洪革教授团队联合澳洲新南威尔士大学碳材料中心夏振海教授团队、吉林大学张伟教授和郑伟涛教授团队，以及西北工业大学张静副教授和北京化工大学张利鹏教授，在国际知名期刊“Advanced Functional Materials”（IF=19）在线发表论文“Rationally Designed Carbon Nanomaterials for Electrically Driven Solid-state Hydrogen Storage”。本工作通过经典分子动力学计算、第一性原理计算、球差等显微表征技术以及设计的具有自主知识产权的电控储氢测试装置对单原子钪(Sc)负载在p-block元素掺杂的多孔碳上形成的电控智能碳基非裂解型化学吸附固态储氢材料（X-PC-Sc ECS-NC-SHSMs）进行了系统的研究。首次在固态储氢领域引入“电控智能储氢”的概念，提出并验证了常温条件下电驱动储氢的全新范式，并提出“电控能级填充理论”，系统建立了氢分子在外加电场下的吸附—解吸行为调控机制，并构建了一套普适性的碳基电控固态储氢材料设计原理。研究中，创新性地引入描述符 Φ，将材料的杂原子掺杂结构与其储氢能力进行有效关联，实现了储氢性能的可预测与可调控。在此理论框架下，团队设计并合成了一系p-block杂原子掺杂的多孔碳材料负载钪单原子的电控智能非裂解型化学吸附固态储氢材料（X-PC-Sc ECS-NC-SHSMs），不仅在理论上完成吸/脱附能垒调控，而且通过实验系统验证了其在常温下的高效储氢能力。更重要的是，研究进一步拓展该策略至双原子协同掺杂体系，筛选出性能优于当前领先碳基储氢材料的新型材料候选者，实现了储氢容量与速率的双重提高。该工作不仅实验验证了电场在固态储氢领域的应用，也为其它外场辅助下固态储氢材料设计研发提供了理论指导和技术支持。

视频. 电场控制下材料吸氢性能测试过程

科学材料站

研究内容

鉴于电场作用下的双功能效应——原子尺度下增强氢气吸附强度、纳米尺度下促进氢气分子传输与聚集，本研究提出了电致可控智能储氢理论（ECSHST），以建立储氢容量和速率与内因及外因调控之间定量化的本构关系，从而进一步指导杂原子掺杂多孔碳负载的钪单原子非裂解型化学吸附固态储氢材料（X-PC-Sc ECS-NC-SHSMs）的理性设计。

图 1. 电控智能储氢测试装置及储氢理论构建示意图。a) 氢存储测试装置，包括测试腔体、氢气瓶、电源和压力传感器装置。b) X-PC-Sc ECS-NC-SHSMs 材料结构示意图，其中小球和大球分别代表掺杂在多孔碳表面的杂原子和负载其上的 Sc 单原子。c) X-PC-Sc 表面及其电场示意图（红色箭头表示由表面正电荷诱导的电场方向），以及氢气分子（黄色球）分布情况。d) X-PC-Sc 表面的原子结构示意图；e) 氢分子在 X-PC-Sc 表面吸附的理论模型图；f) 以 O-G-Sc 为代表，在 H₂ 分子持续吸附过程中材料结构的演化过程示意图；g) 在标准条件下，氢分子吸附自由能变化（ΔG）随吸附数量 (n) 或吸附容量在各优化的 X-G-Sc 材料上的函数关系图；h) 氢存储容量与电场强度 E 的关系呈现“火山形”趋势；i) 氢存储速率与电场强度 E 的关系也呈“火山形”变化趋势。

图 2. H₂分子在原子尺度的吸附强度的DFT计算，在纳米尺度电场驱动下H₂分子传输的分子动力学模拟以及X-PC-Sc ECS-NC-SHSMs在电信号作用下的双功能效应。a) H₂分子在原子尺度上DFT计算中垂直的匀强电场启动/关闭氢气分子吸附状态示意图。b) 当电场从0，0.001，0.005，0.025，0.125，0.625 eV/ Å变化时，每一个最优的X-PC-Sc吸附H₂分子的吸附能变化。c) 在分子动力学模拟中，非匀强电场作用下H₂被捕获过程中的3D抓拍图。d) X-PC-Sc在原子尺度结构设计示意图。e)X-PC-Sc纳米尺度的结构设计示意图。f）电信号启动/关闭时该材料的吸氢和放氢示意图。

首次建立了在外电场作用下的储氢能级填充理论，基于该理论，建立了最小吉布斯自由能变化和氢存储容量和速率之间的本构方程，并提出了一个新型的描述符，用于将氢存储容量与杂原子 X 的本征属性联系起来，发现其呈现出一种有规律的“火山”关系。该描述符Φ由可直接从元素周期表中获取的本征物理量构成，因而具有广泛的预测能力，可用于指导 ECS-NC-SHSMs 材料的氢存储性能设计与优化。

图 3. a)提出的电场作用下储氢能级填充理论和本构方程。b) 提出的构建微观掺杂结构和宏观储氢性能关系的描述符Φ

图 4. H₂吸附在各X-PC-Sc模型最优位点前后的最小吉布斯自由能变化以及归一化氢存储容量与描述符Φ的关系。a) 各X-PC-Sc模型中，H₂吸附在最优位点前后的最小吸附吉布斯自由能变化与描述符Φ之间的关系；b) 预测的储氢容量与描述符Φ之间的关系；c-d) 通过在标准条件下（T = 300K，P = 1bar）优化最小吉布斯自由能变化，实现对本征描述符Φ的调控，从而使得 H₂存储容量和存储速率在“火山曲线”中达到峰值。

电控智能氢存储理论（ECSHST）及基于物理本征属性的描述符 Φ，的实验验证-----本研究对所制备的 X-PC-Sc ECS-NC-SHSM 样品在 77K 下进行了 PCT（压力-组成-温度）氢吸附/解吸性能测试，并进行了298K下的电控H₂吸附测试，对电控智能氢存储理论（ECSHST）及基于物理本征属性的描述符 Φ进行验证。

图 5. X-PC-Sc单原子样品的制备及表征。

图 6. DFT 计算与氢存储容量随电场变化的相互验证。a) Sb-PC-Sc 样品在无电场条件下的氢气吸附/解吸等温曲线；b) 所有 X-PC-Sc 样品在无电场条件下的可逆氢存储容量随压力的变化曲线；c) 归一化的实验氢存储结果与 DFT 计算得到的最优氢气吸附自由能之间的火山形关系图，验证了在无电场条件下电控智能氢存储理论（ECSHST）的有效性；d) 基于描述符 Φ 的火山形关系图，验证了归一化氢存储容量测试结果的合理性；e) 实心和空心标记分别代表已合成和未合成的实验样品，由我们自主加工设计的氢气吸附/解吸性能测试装置所测试；f) 多孔碳（PC）在 298K、1MPa 条件下，不同电压 U作用下氢含量（以质量百分比计）随时间的变化曲线；g) 多孔碳（PC）在 298K、1MPa 条件下，氢含量（wt%）随电压变化的关系图。

根据前述研究结果可知，杂原子掺杂多孔碳（PC）负载 Sc 单原子的 ECS-NC-SHSMs 材料的氢存储能力受以下三类因素共同控制（图 7a-c）：内在因素：如最小氢分子吸附吉布斯自由能变化；外在因素：如 Sc 单原子负载量、材料比表面积和杂原子掺杂浓度；驱动条件：如外加电场E、磁场B、温度T 和压力P 等。因此，我们提出一个三步策略以进一步提升 ECS-NC-SHSMs 的氢存储能力：

图 7. 由描述符 Φ 主导的双峰火山关系，以及最优双原子掺杂 PC 负载的 Sc 单原子体系中的差分电荷密度分布与 Bader 电荷转移。a) 内在结构设计示意图，包括杂原子掺杂和引入金属单原子；b) 外在结构设计示意图，包括材料比表面积、多孔结构、掺杂浓度与质量负载；c) 驱动条件设计示意图，包括外加电场与磁场等外部刺激；d) X-Y-PC-Sc 材料中，氢气吸附前后的最小吉布斯自由能变化与描述符 Φ 之间的双峰火山关系；e) 和 f) 基于描述符 Φ 的 X-Y-PC-Sc 材料的预测氢存储容量与存储速率；g) 氢分子吸附在最优位点的 O-Br-PC-Sc 代表结构的原子结构及电荷分布图；h) 各最优 X-Y-PC-Sc(-H₂) 材料中，Sc 向基底的 Bader 电荷转移量随内在描述符 Φ 的变化关系；i) 每个最优 X-Y-PC-Sc(-H₂) 材料中，最低空轨道态密度（DOS1）与描述符 Φ 的双峰火山关系；j) 本研究中所构建的掺杂 PC 负载的Sc 单原子 ECS-NC-SHSMs 与文献中其他碳基氢存储材料的预测与实测氢存储容量对比图。

科学材料站

通讯作者简介

潘洪革，西安工业大学新能源科学与技术研究院教授，博士生导师，全国百篇优秀博士论文获得者，全国模范教师，国际期刊Journal of Alloys and Compounds主编（Editor-in-Chief），国家杰出青年基金获得者、教育部长江学者特聘教授、中组部万人计划、科技部中青年科技创新领军人才。主要研究方向为高容量固态储氢材料、高性能二次电池、能源材料中的催化及催化机理以及学科交叉在材料科学中的应用。先后承担和完成了包括国家自然科学基金重点项目、重点联合项目、杰出青年基金、面上项目、国家重点研发计划课题、国家“973”、“863”课题、教育部新世纪人才计划等50余项国家级和省部级科研项目。获浙江省自然科学一等奖和陕西省自然科学奖一等奖各1项。授权中国发明专利80余项，其中美国和日本PCT专利各1项；著作1本；在包括Nature Catalysis, Nature Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.，Energy Environ. Sci., Adv. Mater.，等国际学术期刊上发表SCI收录论文500余篇；发表的论文被引20000余次，论文H-index值为79。

张伟，教授，吉林大学材料科学与工程学院唐敖庆学者-卓越教授、电子显微镜中心主任、英国皇家化学会会士，任Nature出版集团Communications Chemistry执行编委和IOP集团Nanotechnology顾问编委，科睿唯安“全球高被引科学家榜单”（2023，交叉学科）。获吉林省自然科学奖一等奖（2020）、二等奖（2024）。已在Angew Chem Int Ed、JACS、Nano Lett等权威期刊期刊发表第一/通讯作者论文百余篇，全部论文被引超21000次，H因子78（Clarivate）。主要研究方向为先进材料的电子显微分析、催化和能源材料的表界面化学。

郑伟涛，教授，低维材料课题组组长。国家杰出青年基金获得者（2005），“教育部重大人才工程”特聘教授（2004）。兼任中国晶体学会副理事长、中国材料研究学会常务理事、国际衍射数据中心（ICDD）委员、国际Appl. Surf. Sci.、Vacuum杂志编委等职。主要研究方向为超硬、纳米和功能薄膜材料，能源材料及材料的计算模拟。先后承担国家863、国家基金委重点项目、科技部重大仪器专项等科研项目10余项，获得吉林省科技进步一等奖、吉林省自然科学奖一等奖3项，科睿唯安“高被引科学家”榜单（2022-2023），著有《薄膜材料与薄膜技术》等。

张静，西北工业大学材料学院副教授，博士生导师，从事相场、第一性原理等多尺度模拟计算工作，开发多场耦合的相场软件（晶体相场、微观相场、连续/多相场）若干套。研究方向包括核工程结构材料和燃料、金属结构材料、能源转换与存储材料。获陕西省科技进步二等奖一项，主持国科基及省基金在内的课题合计16项，在《J. Eur. Ceram. Soc.》、《Mater. Des.‌‌》、《JMCA》等期刊发表相关论文100多篇。

张利鹏，北京化工大学化学工程学院教授，博士生导师。研究领域包括碳基纳米催化材料、碳基复合功能材料、绿色能源转化相关反应机理等。主持国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划子课题等4项国家级研究课题。在包括《Advanced Materials》、《JACS》、《Angew. Chem. Int. Ed.》等期刊发表SCI论文80余篇，被引9000余次，H因子38。

科学材料站

第一作者简介

高勇，西安工业大学新能源科学与技术研究院副教授，eScience，Energy Material，EcoEnergy以及International Journal of Materials Science and Applications期刊青年编委，高能数造科技有限公司青年科学家顾问。获第二届新能源材料创新发展论坛青年科学家奖1项，承担国家自然科学基金青年基金1项，承担陕西省重点研发计划1项，骨干参研国家科技部重点研发计划1项，国家科技部战略性科技创新合作1项。研究兴趣主要集中在高效固态储氢材料、催化材料以及电极材料的设计制备以及多尺度理论计算。近5年以第一作者/通讯作者在 Nat. Commun.，J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.等期刊发表论文19篇，被引频次1100+，申请/授权发明专利17项。