Chem. Eng. J. 国仪高压储氢吸附仪助力Mg基储氢材料高质量性能分析研究_专业论文_仪器仪表技术文献

Chem. Eng. J. 国仪高压储氢吸附仪助力Mg基储氢材料高质量性能分析研究

提供者：国仪量子技术（合肥）股份有限公司发布时间：2026/10/29 18:53:43 阅读次数：16次进入该公司店铺

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Chem. Eng. J. 国仪高压储氢吸附仪助力Mg基储氢材料高质量性能分析研究

氢能发展的核心挑战在于氢气的低成本制取、安全储运和高效应用，其中高密度、低成本储运是氢能规模化利用的关键。MgH₂基储氢材料因理论储氢容量高达7.6 wt.%、镁资源丰富、成本低和环境友好等优势，被认为是有应用潜力的固态储氢体系之一。然而，Mg-H键稳定导致其吸放氢动力学缓慢、工作温度较高；更为关键的是，MgH₂对空气中的O₂、H₂O和CO₂高度敏感，表面易形成MgO、Mg(OH)₂和MgCO₃钝化层，造成活化困难、容量衰减和循环稳定性下降，进一步制约其在实际储氢系统中的应用。

针对上述问题，陕西科技大学侯小江团队联合青海盐湖研究所，构建了具有核壳结构的TM@CeO₂（TM = Ni、Co）复合催化剂，并通过机械球磨将其均匀引入MgH₂体系。研究结合HRTEM、XRD、XPS、BET及高温高压容量法动力学测试，揭示了CeO₂氧空位与金属Ni活性位点协同作用的抗空气中毒机制：氧空位优先吸附空气杂质，减少MgH₂表面钝化层形成；Ni则促进H₂解离和氢原子扩散，并在放氢过程中原位生成Mg₂Ni，进一步削弱Mg-H键。结果显示，MgH₂-Ni@CeO₂在350 ℃、3 MPa下3 min内吸收4.62 wt.%氢气，在350 ℃、0.02 MPa下15 min内释放4.88 wt.%氢气；空气暴露7天后，相较暴露前仅损失1.69 wt.%的储氢容量，在150 ℃下仍可吸收约2.56 wt.%氢气。这一发现为实现MgH₂基储氢材料抗环境中毒与快速吸放氢的协同优化提供了新的材料设计策略。

材料设计：让金属活性中心与

氧空位协同工作

作者首先通过水热法制备CeO₂，再采用浸渍和高温还原方法，将Ni或Co负载到CeO₂表面，形成Ni@CeO₂和Co@CeO₂核壳结构。随后，按照10 wt.%的比例将催化剂与MgH₂进行高能球磨，使催化剂均匀分散并在复合材料中引入更多缺陷和界面。

结构表征显示，两种催化剂均具有介孔特征。Ni@CeO₂和Co@CeO₂的比表面积分别为31.4 m²/g和53.09 m²/g。XPS结果显示，CeO₂表面同时存在Ce³⁺和Ce⁴⁺，说明材料中形成了氧空位；HRTEM则观察到了过渡金属与CeO₂之间的包覆结构。需要指出的是，氧空位在这里并不是简单的结构缺陷，而是作者赋予CeO₂的功能位点：它可以优先吸附空气中的杂质气体，减少这些气体对MgH₂表面的直接侵蚀。

图1 TM@CeO₂制备流程图

Ni@CeO₂显著提高空气暴露后的

容量恢复能力

作者将球磨后的样品置于空气中暴露7天，再在350 ℃下进行三次吸放氢活化。与未添加催化剂的BM-MgH₂相比，加入TM@CeO₂后，材料的活化诱导期明显缩短，空气暴露后的容量恢复能力也得到改善。

其中，MgH₂-Ni@CeO₂的抗空气中毒效果较为突出。空气暴露后，其容量损失仅为1.69 wt.%，低于BM-MgH₂的2.43 wt.%和MgH₂-Co@CeO₂的2.33 wt.%。这说明Ni@CeO₂不仅能够提升未毒化样品的反应速率，也能够减少空气暴露带来的持续性损伤。

图2 复合体系的活化曲线

Ni@CeO₂使MgH₂在高低温下

都更易吸放氢

在350 ℃、3 MPa条件下，未毒化MgH₂-Ni@CeO₂在3 min内吸收4.62 wt.%氢气，而BM-MgH₂为3.37 wt.%。在350 ℃、0.02 MPa放氢条件下，MgH₂-Ni@CeO₂在15 min内释放4.88 wt.%氢气；即使空气暴露7天后，仍可释放3.03 wt.%氢气。

低温下性能依旧十分优异，150 ℃下，MgH₂-Ni@CeO₂在15 min内吸氢约3.6 wt.%，空气暴露7天后仍可达到2.56 wt.%；在100 ℃下，中毒样品仍能吸收约0.97 wt.%氢气。对于MgH₂这类通常需要较高温度才能快速反应的材料，这一结果说明催化剂确实改善了氢分子活化和氢原子扩散过程。动力学分析也证实了这一结论，作者对未中毒复合体系拟合得到的吸氢表观活化能分别为：MgH₂-Ni@CeO₂为60.11 kJ·mol^-1，MgH₂-Co@CeO₂为54.62 kJ·mol^-1。

图3 不同温度下的吸脱附曲线

抗中毒与催化加速来自

三个层面的协同作用

其一，CeO₂中的氧空位优先吸附O₂、H₂O和CO₂，使MgH₂表面形成的钝化层变薄并呈不连续分布。第二，金属Ni能够促进H₂解离，并通过轻微自氧化承担一定的牺牲保护作用。第三，在放氢过程中，Ni与Mg原位形成Mg₂Ni，进一步削弱Mg-H键，促进脱氢反应。

XPS结果显示，Ni@CeO₂体系空气暴露后仍能保留部分晶格氧和金属Ni相关信号，说明其氧化程度低于纯MgH₂和Co@CeO₂体系。脱氢后的XRD结果则观察到了Mg₂Ni相，为“Ni参与原位合金化并促进脱氢”的判断提供了证据。因此，这一催化剂并不是单纯通过增加比表面积发挥作用。真正关键的是Ni活性位点、CeO₂氧空位、MgH₂基体以及球磨产生的界面共同构成了多相反应通道。