第一作者：周盼盼、周倩雯
通讯作者：肖学章、陈立新
通讯单位：中山大学、浙江大学
论文DOI：10.1002/advs.202513463
近日，中山大学肖学章教授、浙江大学陈立新教授、河海大学周盼盼博士等研究团队共同合作，在多组元固态金属储氢材料创制上取得重要研究成果。该研究通过协同调控钛基多组元合金（MPEA）中A/B侧元素的种类与含量，实现了对间隙储氢环境与热力学性能的集成优化。经优化所获得的Ti-Zr-Mn-Cr-(VFe)多组元合金，在20°C、仅需1.6 MPa电解氢压的条件下，即可达到2.06 wt%的饱和储氢容量。更为突出的是，该材料在80 °C、0.1 MPa氢背压的条件下，仍能释放出1.93 wt%的高可逆容量，容量利用率高达93.7%。该合金在有限工况条件下的储氢性能超越了绝大多数已知的C14 Laves相储氢材料。同样值得关注的是，在反复吸放氢过程中，材料通过及时粉化有效释放局部应变，从而表现出优异的结构与性能稳定性：即使经历长期循环，其储氢性能、晶体结构及元素分布均未发生明显变化。这一研究成果为开发适用于节能工况的高容量、长寿命、低成本储氢材料，提供了新的设计思路与实践路径。相关成果以“Resolving the Capacity-Stability-Cost Trilemma in Multi-Principal-Element Hydrogen Storage Alloys Through Multi-Objective Optimization”为题，于2025年11月20日发表于《先进科学》（Advanced Science）国际期刊。
论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202513463
应对能源安全、环保与经济的多重挑战，是全球能源转型的核心议题。在此背景下，氢能以其资源丰富、零碳排放、高能量密度等优势脱颖而出。推动其大规模应用的核心瓶颈，是开发兼具高存储密度与高安全性的储运方案；而多组元储氢合金正以其温和的储运条件与优良的可逆性，展现出解决这一瓶颈的巨大潜力。攻克饱和/可逆储氢容量-稳定性-成本的三重困境，是实现金属氢化物实际应用必须解决的根本性帕累托优化难题。
1. 面向高容量、长循环、低成本多主元合金的筛选策略
基于氢化物形成能（表征相变驱动力/热力学稳定性）、二元氢化物焓（反映元素氢亲和能）及原材料成本三项指标，研究通过三轮连续筛选以优化成分：选定Zr作为A侧Ti位的最优替代元素，Cr与VFe合金为B侧Mn位的替代组分。
2. 多组元储氢合金在受限工况下的优异储氢性能
优化获得的Ti-Zr-Mn-Cr-(VFe)多组元合金，在受限工况下兼具卓越储氢性能与循环稳定性：其容量指标远超同类材料，并凭借独特的循环粉化机制，实现了长期循环下的结构与性能完整性。
图1. 针对高容量、长寿命、低成本的多组元合金的元素筛选过程
通过系统筛选与成分设计，解决了TiMn2基储氢合金因生成Ti-H相导致的循环不稳定性问题。以氢化物形成能、二元氢化物焓和原料成本为筛选指标，确定Zr为A侧（替代Ti）最优元素，Cr与VFe合金为B侧（替代Mn）理想组分。基于此设计的Ti-Zr-Mn-Cr-(VFe)系列多组元合金均形成单一C14 Laves相与均匀的元素分布。
图2. 多组元储氢合金的吸放氢性能及Zr元素的改性机理研究
本研究系统探究了A/B侧元素优化对Ti-Zr-Mn-Cr-(VFe) 多组元合金储氢性能的影响。研究发现，Zr取代虽能扩大晶胞体积，但其引入会通过几何应变与电子结构调控，导致金属-氢键强度分布不均，从而引发平台斜率恶化等非单调性变化。理论计算证实，Zr的掺入会加剧晶格畸变，使金属-氢键长与键强分布梯度变陡，显著影响氢化物稳定性。另一方面，Mn含量的提升虽可提高平衡压力与容量，但其压力提升效应与容量增益相互制约，形成非线性优化关系。
图3. 优选多组元储氢合金的工况应用条件及性能对比
在上述研究成分中，优选Ti-Zr-Mn-Cr-(VFe)合金在20°C下氢化平衡压力为2.82 bar，1.6 MPa氢压下饱和储氢容量达2.06 wt%，性能超越绝大多数已知C14 Laves相材料。该合金在80 °C下仍保持1.93 wt%的可逆容量，利用率达93.7%，展现出在燃料电池、冶金和化工等低压储氢领域的应用潜力。
图4. 优选多组元储氢合金的热力学与动力学循环性能
通过对优选合金进行了50次快速吸放氢循环测试。结果表明，该材料在20 °C氢化及60 °C脱氢条件下展现出优异的动力学性能：氢化20 s即可达到饱和容量的90%，脱氢30 s内可释放90%的可逆容量。经过50次循环后，其储氢容量与热力学性能均未发生衰减，且循环测试延长至100次后仍保持稳定。
图5. 优选多组元储氢合金在吸放氢循环后的结构与形貌分析
多尺度结构表征表明，优选合金在循环后仍保持C14 Laves单相结构，晶格应变均匀且无元素偏析，展现出卓越的相结构稳定性。这主要由于吸放氢过程中的局部应变可通过材料及时粉化得以有效释放，继而降低了对结构/性能稳定性的影响。
经三轮连续元素筛选与精准成分调控，本研究成功开发出Ti-Zr-Mn-Cr-(VFe)多组元合金，攻克了容量-稳定性-成本三重难题。该材料在20 °C、1.6 MPa氢压下饱和容量高达2.06 wt%，并于80 °C、0.1 MPa背压下仍保持1.93 wt%的可逆容量（利用率93.7%），其综合性能超越绝大多数已知C14 Laves相材料，且循环稳定性优异，为高性能固态储氢提供了低能耗、低成本的设计新策略。
周盼盼：河海大学，材料科学与工程学院，讲师。主要研究方向包括基于计算材料学的储氢材料设计与性能预测、中高熵固态储氢材料的热动力学性能调控与储氢机制研究、氢同位素储存材料的抗歧化与抗毒化机理及改性研究等。主持国家自然科学基金青年科学基金C类项目等共3项。以第一/通讯作者（含共同）在Adv. Mater., Energy Storage Mater., Adv. Sci., J. Energy Chem., J. Mater. Sci. Technol.等期刊发表SCI论文28篇，已申请发明专利9项和实用新型专利1项（其中7项已获授权）。担任Acta Mater., Scripta Mater., Chem. Eng. J.等10余个国际知名期刊审稿人。
陈立新：浙江大学二级教授，工学博士，博士生导师。研究领域主要包括金属氢化物/络合氢化物/液态有机氢化物储氢材料、新型电极/电解液/电解质材料以及高密度储氢装置、加氢站固态储供氢系统、燃料电池氢源系统、氢同位素分离与存储技术、工业副产氢回收净化压缩技术、内燃机氢-油混燃技术、氢-电融合调能技术、高安全宽温域高比能新型电池技术等。先后主持（在研和完成）国家重点研发计划、国家自然科学基金、863计划、973计划、教育部新世纪优秀人才计划、浙江省重大科技专项等30余项科研项目。科研成果获得50余件授权专利和1项教育部科技进步一等奖，并在Nature, Nature Energy, Nature Chem., Nature Commun., Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Energy Storage Mater.等期刊发表400余篇学术论文，参与编写5项氢能技术国家标准以及1项储能技术电力行业协会标准。
肖学章：中山大学教授，工学博士，博士生导师，先进能源学院副院长。研究领域主要包括新能源储存转化材料、机器学习设计新型储能材料、氢储能材料与工程技术、氢同位素储存供给技术、加氢站固态储供氢装置、氢电融合调能系统集成等。作为负责人先后承担国家自然科学基金重点项目1项、课题1项，国家自然科学基金面上项目2项，国家重点研发计划课题1项、子课题3项，国家973项目子课题1项，国家863项目子课题1项，以及浙江省自然科学基金重点项目，浙江省重点科技创新团队项目，浙江省公益性技术应用研究计划等30余项。在Nature、Nature Energy、Nature Chem.、Nature Commun.、Adv. Mater.、Prog. Mater. Sci.、Energy Environ. Sci、Energy Storage Mater.等先进能源&材料领域期刊上发表研究论文200余篇，获授权国家发明专利38项。兼任国际著名金属材料期刊Journal of Alloys and Compounds副主编、国际镁合金期刊Journal of Magnesium and Alloys青年编委、中国可再生能源学会氢能专业委员会委员、中国动力工程学会工业气体专业委员会委员。
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