上海交大邹建新教授团队CEJ观点: MOF衍生Ni/NiO异质结可显著提升MgH2储放氢性能

近日，上海交通大学材料科学与工程学院氢科学中心邹建新教授团队在《Chemical Engineering Journal》上发表了题为“Boosting hydrogen storage performances of MgH₂ by using a Ni-MOF derived Ni/NiO@C composite containing Ni/NiO nanoheterojunctions”的研究型论文。该工作通过构筑富含Ni/NiO纳米异质结显著提升了MgH₂的储氢性能，并通过原位XRD、TEM和DFT计算揭示了Ni/NiO纳米异质结提升MgH₂储氢型性能的机理。MgH₂-Ni/NiO@C的起始放氢温度降低至145.4°C，在250°C下20分钟内即可释放6.1 wt.% H₂，在150 °C下以4.53 wt.%/min的速率实现高效吸氢。该工作为设计高性能金属异质结催化材料及开发下一代高效镁基储氢系统提供了新的制备路径与理论支撑。论文第一作者为上海交通大学氢科学中心张秋雨实验师，通讯作者为上海交通大学氢科学中心邹建新教授。

氢能因其能量密度高、燃烧产物零污染等优势，被誉为“终极能源”。然而，安全高效的储氢技术仍是制约其大规模应用的瓶颈之一。在多种储氢方式中，固态储氢材料（MgH₂）因其高储氢容量（7.6 wt%）、资源丰富及安全性好而备受关注。然而，MgH₂存在放氢温度高（>300℃）和吸放氢速度慢的问题，严重限制了其实际应用。近年来，研究者们尝试通过添加催化剂来改善MgH₂的性能，其中镍（Ni）基催化剂因其独特的“氢泵”效应（Mg₂Ni/Mg₂NiH₄相互转化）而表现出显著优势。然而，如何实现Ni催化剂的高负载、均匀分散，并进一步降低其催化所需能量壁垒，一直是研究的难点。

本研究以镍-对苯二甲酸MOF（Ni-TPA MOF）为前驱体，衍生制备出了一种负载率超过90%的Ni/NiO异质结纳米颗粒，并均匀嵌入无定形碳基质中（简称Ni/NiO@C）。这种独特的结构带来了两重优势：在纳米尺度上构建的Ni/NiO异质结，形成了丰富的氧空位和活性位点。MOF前驱体的模块化结构确保了Ni/NiO颗粒在碳基质中的均匀分散，有效防止了纳米颗粒的团聚。

将Ni/NiO@C与MgH₂通过球磨复合后，其储氢性能明显提升：MgH₂-Ni/NiO@C复合材料的起始放氢温度降至145.4°C，峰值放氢温度仅为212.8°C，与纯MgH₂相比，降低了近150°C。在250°C下，初始脱氢速率达到0.57 wt%/min，是纯MgH₂的13倍；在150°C的吸氢条件下，初始吸氢速率高达4.53 wt%/min，是纯MgH₂的150倍以上。在300°C下经过10次快速吸放氢循环后，材料的储氢容量和速率均未出现明显衰减，展现出优异的耐久性。

DFT计算表明，在Ni/NiO异质结界面处，氢气解离能量壁垒显著低于单纯的Ni或NiO界面。这意味着氢原子在异质结上更容易“挣脱”束缚，结合成氢气分子释放出来。原位XRD和TEM结果表明：150℃时，Ni/NiO异质结即催化MgH₂放氢；在吸放氢过程中，Ni/NiO异质结的Ni一侧优先与MgH₂反应，210℃时完成高效“氢泵”Mg₂Ni生成，加快反应速率。反应生成的纳米MgO和碳基质共同作用，像“隔离墙”阻止了Mg/MgH₂颗粒在循环过程中的长大和团聚，从而保持了长期循环稳定性。

本项研究工作成功展示了MOF衍生策略在制备高性能储氢催化剂方面的巨大潜力。通过设计具有Ni/NiO纳米异质结和氧空位的Ni/NiO@C复合材料，有效解决了MgH₂储氢的动力学瓶颈问题。

Qiuyu Zhan, Yinghui Li, Fengzhan Sun, Xi Lin, Zhigang Hu, Haiyan Yang, Jianxin Zou*. Boosting hydrogen storage performances of MgH₂ by using a Ni-MOF derived Ni/NiO@C composite containing Ni/NiO nanoheterojunctions. Chemical Engineering Journal, 2025, 169631.

邹建新（通讯作者） 上海交通大学材料学院特聘教授、教育部长江学者、英国皇家化学会会士、氢科学研究所副所长、国家重点研发计划首席科学家、氢电储能联合实验室主任。主要从事镁基能源材料方面的基础研究与应用开发工作，主持并完成了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金面上项目、上海市科委重点项目等，参与教育部创新引智基地等项目。已在Science，Energy Environ. Sci，Adv. Mater.，Adv. Energy Mater.，Nano-Micro Lett.等国际知名期刊上发表SCI收录论文200余篇，被引用超过9000次（H因子=54），获评“全球前2%顶尖科学家”终身榜，担任Nano-Micro Lett., Carbon&Hydrogen等国际期刊副主编。已授权国家发明专利20余项（排名第一），其中5项专利转让于企业，授权PCT专利3项，日本专利1项，美国专利1项。曾获国际能源署IEA 2024年度Hydrogen TCP奖，2024国际镁科学技术“年度人物”奖，2023国际镁协未来技术奖，2023年中国有色金属工业科学技术奖一等奖，2021年国际镁协会镁科学与技术年度产品奖等。

张秋雨（第一作者） 上海交通大学材料学院实验师。主要从事镁基能源材料方面的基础研究与农业应用开发工作，主持并完成了国家自然科学基金青年项目，参与国家重点研发项目、国家自然科学基金面上项目等。已在Nano Energy、Chem Eng J、Int J Hydrogen Energy、Adv. Mater. 、J Alloys Comp、科学通报等期刊上发表论文10余篇，授权国家发明专利2项。