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文 章 简 介
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和瑞士洛桑联邦理工大学叶重楠博士在国际学术期刊《Journal of Materials Chemistry A》上发表了题为“Study on mechanisms of two-step hydrogen sorption in a MgH2–TiCrMnFeZr high-entropy alloy composite”的学术论文。该工作针对氢化镁（MgH2）起始放氢温度高，动力学性能差等问题，设计并制备了高熵合金（HEAs）与MgH2复合的储氢材料，从而实现在室温—高温的两段供氢。论文的第一作者为上海交通大学材料科学与工程学院氢科学中心博士生李映辉。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、瑞士洛桑联邦理工学院可再生能源材料研究室（LMER）叶重楠博士为论文的通讯作者。
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研 究 背 景
氢能具有环境友好、可再生、能量密度高（120-142 MJ kg-1）等优势，是实现“碳达峰”、“碳中和”战略目标的重要能源载体。在氢能产业链中，安全高效的氢储运是实现氢大规模利用的重要组成部分。氢化镁（MgH2）具有较高的质量和体积储氢密度（~ 7.6 wt% H2，~ 110 kg m-3 H2）、镁资源丰富和环境友好等优点，是一种极具发展潜力的固态储氢材料。然而，其稳定的热力学（ΔH= -74.7 kJ mol-1 H2）和缓慢的吸放氢动力学导致其工作温度超过300℃，也严重阻碍了其在实际场景中的应用。本文通过球磨将TiCrMnFeZr高熵储氢合金引入到MgH2中以改善其储氢性能，得益于TiCrMnFeZr的催化作用以及MgH2的缓冲保护作用，所制备的MgH2–40 wt% TiCrMnFeZr 复合材料表现出优异的两步供氢能力。
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图 文 导 读
图1球磨的TiCrMnFeZr 和MgH2-x wt% TiCrMnFeZr (x = 20, 40, 60)复合材料的结构表征
实验采用了250rpm的低球磨转速，制备了MgH2–40 wt% TiCrMnFeZr 复合材料。由于TiCrMnFeZr HEA对压应力和剪切应力非常敏感，单独球磨的TiCrMnFeZr的XRD 图谱显示出无定形特征，其晶体结构完全被破坏，同时失去了其储氢能力。但在MgH2的保护作用下，充分缓解了TiCrMnFeZr与球磨珠和球磨罐壁之间的碰撞，TiCrMnFeZr的晶体结构得到了良好的保护。
图2 MgH2-x wt% TiCrMnFeZr (x = 20, 40, 60)复合材料的两段储氢性能研究
MgH2-40 wt% TiCrMnFeZr复合材料能够在室温下可逆地吸收和释放约 0.72 wt% 的氢气。同时，TiCrMnFeZr 作为一种高效催化剂实现了对MgH2储氢动力学性能的提升。MgH2在162 oC时开始释放氢气，比相同条件下制备的氢化镁的起始放氢温度降低了125 oC。MgH2-40 wt% TiCrMnFeZr 复合材料在 230 oC下 60 min内可以释放出约 3.7 wt%的氢气；在 210 oC，60 min可释放~ 2 wt%的氢气。脱附后的MgH2-40 wt% TiCrMnFeZr 复合材料在50 oC时即可吸氢超过2 wt%，在 100 oC下， 60 min内可吸附~3 wt% 的氢气，占其总容量的75%。添加 TiCrMnFeZr能够显著降低MgH2吸脱氢过程的表观活化能，复合材料表现出显著提升的动力学性能。
图3 MgH2-40 wt% TiCrMnFeZr复合材料的循环性能研究及性能对比
此外，复合材料中的TiCrMnFeZr和MgH2两相之间不存在毒化现象。在 300 oC下，MgH2–40 wt% TiCrMnFeZr经过 20次循环后，两相的储氢容量均未出现衰减。MgH2–40 wt% TiCrMnFeZr复合材料的起始解吸温度，初始H2解吸速率等性能与其他体系相比表现优异。其出色的动力学性能和循环稳定性源于TiCrMnFeZr的高本征催化能力和复合材料中稳定的界面结构。
图4 MgH2-TiCrMnFeZr复合材料的结构及吸氢过程示意图
在实际应用场景中，复合材料中的TiCrMnFeZr相储存的氢气可以在室温下轻松地释放并供给燃料电池，而燃料电池产生的废热（对于高温质子交换膜燃料电池来说，温度约为180-220 oC）可以作为后续MgH2分解的热源。这种方法为镁基储氢材料作为安全可靠的氢供应源的应用提供了另一种有前景的路径。
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文 章 信 息
Y. Li, Y. Zhao, S. Cao, Z. Li, Y. Shen, Y. Kuddusi, C. Lu, X. Lin, A. Züttel, C. Ye and J. Zou, Study on mechanisms of two-step hydrogen sorption in a MgH2—TiCrMnFeZr high-entropy alloy composite, Journal of Materials Chemistry A (2025).
https://doi.org/10.1039/D5TA03497C
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作 者 简 介
邹建新（通讯作者） 上海交通大学材料学院特聘教授、教育部高层次人才、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190余篇，被引用超过8400次（H因子=52），获评“全球前2%顶尖科学家”终身榜，担任Nano-Micro Lett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2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，2022年有色金属学会创新争先奖，H20国际峰会氢天奖优秀领军人物，2021年国际镁协会镁科学与技术年度产品奖等。
叶重楠（通讯作者） 瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）博士后研究员，荷兰格罗宁根大学博士。主要从事于发展兼具高性能与环境友好特性的新一代高分子气体储存材料，已在JACS，Adv. Mater.，Appl. Mater. Today等期刊上发表论文10余篇。曾获2023年玛丽居里瑞士过渡计划瑞士国家科学基金会博士后奖学金，2023年格罗宁根大学年度最佳工程论文奖，2022年荷兰研究委员会（NOW）团队科学奖，2021年荷兰KIJK杂志“最佳技术创意奖”。
李映辉（第一作者） 上海交通大学2020级直博生。主要研究方向为镁基固态储氢材料，已在Adv Func Mater, J Mater Chem A, Indust Chem Mater等期刊上发表论文10余篇。
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