【MgH2】南京工业大学朱云峰《JMA》:Mg2Ni(Cu)/Mg2Ni(Cu)H4 改善MgH2储氢性能

南京工业大学材料科学与工程学院朱云峰教授团队在《Journal of Magnesium and Alloys》杂志上发表了一篇题为“Improvement effect of reversible solid solutions Mg2 Ni(Cu)/ Mg2 Ni(Cu)H4 on hydrogen storage performance of MgH2”的文章。

本研究的目标不仅是设计一种用于MgH2储氢的高效金属基复合催化剂，还要验证其性能提升的合理机制。为此，设计并合成了一种新型双金属催化剂NiCu@C（约15nm），具有核壳结构。与MgH2–Ni@C和MgH2–Cu@C相比，MgH2–NiCu@C在去/储氢动力学和循环稳定性方面均表现更佳。

Improvement effect of reversible solid solutions Mg2 Ni(Cu)/ Mg2 Ni(Cu)H4 on hydrogen storage performance of MgH2

可逆固溶体 Mg2Ni(Cu)/Mg2Ni(Cu)H4 改善MgH2储氢性能的作用

(a) NiCu@C样品的XRD，(b和c) HRTEM以及(d) SAED图像

(a) 在加热速率为10 °C /min条件下，MgH2 - x wt.% NiCu@C（x = 5, 8, 11）的DSC曲线；(b) 在加热速率为10 °C /min条件下，球磨MgH2、MgH2 –11 wt.% Ni@C、MgH2 –11 wt.% Cu@C和MgH2 –11 wt.% NiCu@C的DSC曲线；MgH2 –11 wt.% Ni@C、MgH2 –11 wt.% Cu@C和MgH2 –11 wt.% NiCu@C的测量结果：(c) 在225 °C测得的等温脱氢曲线；(d) 在150 °C测得的等温吸氢曲线

(a) MgH2–11 wt.% NiCu@C 复合材料在 250、260、275 和 300 °C 下的等温脱氢曲线，插图为 TPD 曲线；(b) MgH2–11 wt.% NiCu@C 复合材料在 275 °C 下各种动力学模型的 ( t/t0.5 )theo 与 ( t/t0.5 )exp 对比；(c) MgH2–11 wt.% NiCu@C 复合材料在 0.3 <α< 0.7 时不同温度下动力学建模方程 g(α) 的时间依赖性；(d) MgH2–11 wt.% NiCu@C 复合材料脱氢动力学的 Arrhenius 图

(a) MgH2–11 wt.% NiCu@C 复合材料在 275 °C 下第 1 次至第 10 次循环的等温氢化和脱氢循环动力学曲线，(b) MgH2–11 wt.% NiCu@C 复合材料的氢吸收/脱附容量随循环次数的变化

(a) TEM，(b) MgH2–11 wt.% NiCu@C 复合材料的 SAED 图像，(c) MgH2–11 wt.% NiCu@C 复合材料的代表性 HAADF 图像，(d) Mg、(e) Ni、(f) Cu 和 (g) C 元素映射分别为绿色、蓝色、紫色和红色

MgH2–11 wt.% NiCu@C 的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像；(1)、(2)、(3) 和 (4) 图像为不同放大倍数的区域

(a) 机械合成, (b) 脱氢, (c) 再氢化 MgH2–11 wt.% NiCu@C 复合材料的 XRD 图谱

(a) 球磨态和 (b) 循环 MgH2–11 wt.% NiCu@C 复合材料的 FESEM 图像；(c 和 d) 循环 MgH2–11 wt.% NiCu@C 复合材料的 EDS 谱图，Mg、Ni、Cu 和 C 元素的分布分别用绿色、橙色、黄色和红色表示

优化后的 (a) Mg 和 (b) MgH2，(c) Mg2Ni 和 (d) Mg2NiH4，(e) Mg2Ni(Cu) 和 (f) Mg2Ni(Cu)H4 的理论结构模型

Mg2Ni(Cu)/Mg2Ni(Cu)H4 在 MgH2/Mg 脱氢和加氢反应过程中的示意图

在这项工作中，本文确认将来源于MOFs的NiCu@C纳米颗粒（约15nm）引入MgH2作为催化剂，具有规则的核壳结构，可以显著增强复合材料的储氢动力学性能。例如，MgH2–11 wt.% NiCu@C的起始及峰值脱氢温度（175.0°C和282.2°C）低于其他对比样品；MgH2–11 wt.% NiCu@C在275.0°C下20分钟可释放5.0 wt.%的氢，在150.0°C下30分钟可吸收5.0 wt.%的氢，氢脱附的活化能（Ea）为77.2 ± 4.5 kJ/mol；同时，MgH2–11 wt.% NiCu@C具有优异的循环稳定性：经过十个循环后容量保持率为98.0%。

在氢化和脱氢反应过程中，确认了可逆固溶体 Mg2Ni(Cu)/Mg2Ni(Cu)H4 的形成，结合 DFT 计算， Mg2Ni(Cu)H4 比 Mg2NiH4 更容易形成，这意味着与 Mg2Ni/Mg2NiH4 相比，Mg2Ni(Cu)/Mg2Ni(Cu)H4 具有增强的“氢抽吸”效应。因此，MgH2–11 wt.% NiCu@C 的氢化/脱氢动力学显著改善。

Zhao Y Y, Liu Z B, J L C, et al. Improvement effect of reversible solid solutions Mg2Ni(Cu)/Mg2Ni(Cu)H4 on hydrogen storage performance of MgH2, Journal of Magnesium and Alloys 12 (2024) 197–208.

https://doi.org/10.1016/j.jma.2022.04.006

朱云峰，教授，博导，主要从事新型能源材料、储氢材料及其在燃料电池和镍－金属氢化物二次电池中的基础理论和应用开发研究。研究方向包括：（1）氢能研究与开发；（2）新型储氢材料的基础研究和应用开发；（3）高性能镍氢二次电池研究；（4）氢的制备技术研究；（5）金属-空气电池研究。

江苏省“六大人才高峰”高层次人才、江苏省高校“青蓝工程”中青年学术带头人。主持承担和参与承担了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、国家科技部863项目、教育部留学回国基金、江苏省教育厅和科技厅等国家及部省级科研项目以及国际合作项目20余项。

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