上海交大氢科学中心邹建新教授团队CEJ：设计MOF衍生的氮掺杂多孔碳纤维用于改善氢化镁的储氢性能- 大数跨境

首页

上海交大氢科学中心邹建新教授团队CEJ：设计MOF衍生的氮掺杂多孔碳纤维用于改善氢化镁的储氢性能

科学材料站

2022-01-21

导读：该工作针对氢化镁放氢动力学迟缓等问题，提出了一种以MOF衍生一维氮掺杂多孔碳纤维作为框架材料，纳米限域氢化镁的方法来改善其储氢性能。

文章信息

设计并制备MOF衍生的氮掺杂多孔碳纤维材料来纳米限域负载氢化镁，改善其储氢性能

第一作者：任莉

通讯作者：邹建新*，林羲*

单位：上海交通大学

研究背景

氢化镁（MgH₂）是一种理想的固态储氢材料，具有储氢密度高、成本低、安全性好等优势，但过于稳定的热力学及缓慢的吸放氢动力学性能严重制约了其大规模商业化应用。在众多氢化镁改性手段中，纳米限域被认为是一种提升镁基储氢材料性能的有效途径。

文章简介

本文中，上海交通大学材料科学与工程学院邹建新教授团队在国际知名期刊《Chemical Engineering Journal》上发表了题为“MgH₂confinement in MOF-derived N-doped porous carbon nanofibers for enhanced hydrogen storage”的论文。

该工作针对氢化镁放氢动力学迟缓等问题，提出了一种以MOF衍生一维氮掺杂多孔碳纤维作为框架材料，纳米限域氢化镁的方法来改善其储氢性能。首先通过模板自牺牲法，合成了一种具有一维分级多孔结构的MOF衍生碳纤维材料（pCNF），并将其作为MgH₂/Ni纳米限域的框架材料，构筑了一维MgH₂/Ni@pCNF纳米复合储氢材料，该复合材料具有优异的吸放氢性能和循环稳定性。

文章要点

要点一：氮掺杂一维分级多孔碳纤维的制备

该工作首先采用水热法得到了一维Te纳米线，然后以1D Te纳米线作为模板，诱导ZIF-8在其表面均匀形核，最后通过高温煅烧，利用Te及Zn的高温挥发特性，制备了具有高比表面积及高孔隙率的氮掺杂一维碳纤维（pCNF）。

图1. 一维碳纤维的合成示意图及物相结构表征

图2. Te纳米线，Te@ZIF-8及pCNF形貌表征

要点二：一维MgH₂/Ni@pCNF纳米复合储氢材料的构筑

通过高压溶剂热法在pCNF孔道及表面原位负载MgH₂/Ni纳米颗粒，合成的MgH₂纳米颗粒尺寸约15 nm，Ni催化剂均匀弥散的分布在MgH₂颗粒周围。pCNF的多孔结构促进了纳米尺寸MgH₂的形核，对MgH₂/Ni起到了良好的限域作用，有效抑制了其吸放氢过程中的团聚和长大。

图3. MgH₂/Ni@pCNF的合成示意图及形貌表征

要点三：MgH₂/Ni@pCNF具有优异的吸放氢性能

吸放氢性能测试表明，MgH₂/Ni@pCNF具有优异的储氢性能，其起始放氢温度降低到200 ℃，质量储氢密度为4.1 wt%，达到了理论储氢容量的89%，且脱氢态样品在100 ℃,120 min内吸氢量可达到2 wt%。

材料吸放氢活化能分别降低至25.4和96.58 kJ/mol H₂。该复合储氢材料还具有优异的循环稳定性，在300 ℃循环10圈后样品仍保持较高的储氢容量（4 wt%），循环后氢化镁纳米颗粒并未发生明显的团聚长大现象。经高压压片后得到样品的体积储氢密度可达43 g H₂/L，具有工业应用价值。

图4. MgH₂/Ni@pCNF的吸放氢性能测试

要点四：原位HRTEM分析MgH₂/Ni@pCNF纳米复合储氢材料的放氢机理

为了解释材料具有优异储氢性能的原因，该工作还利用HRTEM原位分析了材料的放氢机理。结果表明，MgH₂/Ni@pCNF纳米复合材料储氢性能的提升主要得益于以下三方面的协同作用：

(1) pCNF具有较大的比表面积及分级多孔结构，通过纳米限域效应，促进了纳米尺度氢化镁的形成，同时抑制了循环过程中颗粒的长大和团聚；

(2) pCNF中富含丰富的N，促进了吸放氢过程中的电子转移；

(3) Ni在吸放氢过程中形成了具有强催化作用的Mg₂Ni/Mg₂NiH₄催化剂，该催化剂对复合材料的吸放氢过程起到“氢泵”的作用，加速了氢化镁的分解和形成。

图5. 原位HRTEM分析材料的放氢机理

文章链接

MgH₂ confinement in MOF-derived N-doped porous carbon nanofibers for enhanced hydrogen storage

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722002091

通讯作者简介

邹建新 教授

上海交通大学材料科学与工程学院教授，上海交通大学氢科学中心副主任，教育部青年长江学者，国家重点研发计划首席科学家，已在Science，Adv Mater, ACS Nano, J of Materials Chemistry A, Chemical Engineering J，Acta Mater等国际知名期刊上发表SCI论文150余篇，被他引超过2500次。