近日，材料学院高性能结构功能材料超常冶金与制备团队在高性能镁基储氢材料研究方面取得新的进展，相关成果以“Titanium-Nickel Dual Active Sites Enabled Reversible Hydrogen Storage of Magnesium at 180 °C with Exceptional Cycle Stability”为题，发表在本领域顶刊《Advanced Materials》（大类一区，IF=32.086）。该成果由通讯单位上海大学和重庆大学联合研究取得，鲁杨帆教授、罗群研究员和李谦教授为共同通讯作者。

镁基储氢材料 (Mg/MgH₂) 因其储氢容量高 (7.6 wt.%)、资源丰富和安全性好等特点备受关注，但其实际应用仍受制于放氢温度高 (≥300°C)、中温放氢动力学缓慢和循环寿命差等瓶颈。传统催化剂难以协同调控Mg/MgH₂吸放氢反应中的多步骤动力学 (氢吸附-解离-扩散和MgH₂形核)。因此，本研究团队开发了一种具有双活性位点的Mg₂Ni@Ti-MgO催化剂，通过Ti掺杂MgO和Mg₂Ni的协同作用，实现了对多步骤动力学的同步优化。Mg₂Ni@Ti-MgO/MgH₂在280°C下2 min内释放5.28 wt.% H₂，并在180°C（动态真空条件下）实现~4.9 wt.% H₂的可逆吸放氢反应。机理研究表明，Ti²⁺和Ti³⁺在MgO晶格中促进了氢解离/扩散过程，原位生成的Mg₂Ni作为氢扩散通道和Mg/MgH₂的形核位点，两者协同作用加快了180°C的吸放氢反应。Mg₂Ni@Ti-MgO催化剂在循环过程中表现出优异的结构和化学稳定性，实现了1000次吸放氢循环后99.2%的储氢容量保持率。本研究通过Ti和Ni双活性位点的协同催化，实现了对多个动力学步骤的同时优化，为高效稳定的吸放氢反应提供了一种新策略。

图1 Mg₂Ni@Ti-MgO催化剂同时促进了氢的吸附、解离、扩散和形核过程。

通过高能球磨和高温氢化的方法，利用TiVO₄和NiO双前驱体成功在Mg/MgH₂表面原位合成了Mg₂Ni@Ti-MgO多相催化剂，且该催化剂在Mg/MgH₂基体表面和内部实现了均匀分布。Mg₂Ni@Ti-MgO/MgH₂储氢材料的初始放氢温度可显著降低至172℃ (图2a)，并在180℃下60 min内放出1.96 wt.%的H₂ (图2b和图2c)，展现出了优异的中温动力学性能。同时，该催化剂的吸氢动力学也得到显著提升，在30℃下30 min内吸氢3.25 wt.% (图2d)。Mg₂Ni@Ti-MgO/MgH₂的活化能为81 kJ·mol^-1 (图2e图2f)，明显低于纯MgH₂体系。该储氢材料在280℃下的初始放氢速率为2.72 wt.%∙min^-1，比纯Mg/MgH₂快了82倍，且其放氢速率显著高于文献中报道的传统过渡金属基和贵金属基催化剂。

图 2 (a) TPD曲线；(b) 放氢动力学；(c) 220℃下的放氢动力学对比；(d) 吸氢动力学；(e) 动力学模型分析及其 (f) 活化能；(g) 初始放氢速率的对比。

经过1000次吸放氢循环后，Mg₂Ni@Ti-MgO/MgH₂的储氢容量仅从5.28 wt.%降低至5.25 wt.% (图3a和b)，其储氢容量保持率高达99.2% (图3c)，且未观察到明显的动力学衰减 (图3b)。该结果表明，添加Mg₂Ni@Ti-MgO催化剂能显著改善MgH₂的循环稳定性 (图3c)，有效突破了MgH₂催化体系所面临循环寿命差的瓶颈。

图 3 (a) Mg₂Ni@Ti-MgO/MgH₂在280℃下的循环曲线；(b) 不同循环次数下的吸氢和放氢曲线；(c) 过渡金属催化MgH₂体系的储氢容量保持率和循环次数的比较。

该研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202500178