科學(xué)通報 | 突破氫氣儲運瓶頸：二維材料為鎂基固態(tài)儲氫注入新動能

本文聚焦二維材料在MgH2儲氫體系中的改性研究，系統(tǒng)綜述了石墨烯、二維金屬及氧化物、MXene等二維材料作為催化劑或載體在增強MgH2吸/放氫性能方面的研究進(jìn)展與作用機制，剖析了當(dāng)前二維催化劑中存在的問題，對其發(fā)展進(jìn)行了展望，為突破鎂基儲氫材料實用化壁壘提供了理論參考。

在能源轉(zhuǎn)型的全球浪潮中，氫能以其高熱值、零排放和可再生特性，被譽為替代化石燃料的理想選擇。然而，氫能產(chǎn)業(yè)化面臨一個“卡脖子”難題：如何安全、高效、低成本地儲存和運輸氫氣？

傳統(tǒng)的儲氫方式各有短板——高壓氣態(tài)儲氫如同給氣球打氣打到數(shù)百倍大氣壓，成本高且存在泄漏風(fēng)險；低溫液態(tài)儲氫則需將氫氣冷卻至零下253℃，能耗驚人。

固態(tài)儲氫技術(shù)異軍突起，通過物理吸附或化學(xué)反應(yīng)將氫氣“鎖”在固體材料中，儲氫密度可達(dá)傳統(tǒng)方式的數(shù)倍，且安全可靠，成為破解儲氫困局的關(guān)鍵突破口。

在眾多固態(tài)儲氫材料中，氫化鎂（MgH?）憑借“一高兩低”的突出優(yōu)勢備受矚目：儲氫容量高達(dá)7.6 wt%，體積儲氫密度約110 kg/m3；鎂資源豐富，占地殼質(zhì)量的2.35%；價格低廉，可逆性好。這些特性使其成為最具規(guī)模化應(yīng)用前景的固態(tài)儲氫“種子選手”。

然而，氫化鎂的大規(guī)模應(yīng)用卻遭遇三大“攔路虎”：

熱力學(xué)壁壘——穩(wěn)定的熱力學(xué)性能（脫氫焓值?H=-74.7 kJ/mol H2）使其放氫溫度過高（> 300℃）；

動力學(xué)瓶頸——緩慢的動力學(xué)速率（反應(yīng)活化能Ea=145.08 kJ/mol）導(dǎo)致其吸/放氫過程往往需要耗費相對較長的時間；

循環(huán)退化——過程中不可避免的團聚與生長最終造成儲氫性能的衰退與儲氫容量緩慢的動力學(xué)速率（反應(yīng)活化能Ea=145.08 kJ/mol）導(dǎo)致其吸/放氫過程往往需要耗費相對較長的時間的損失。

如何攻克這三大難題？科學(xué)家們找到了最有效的“鑰匙”——添加催化劑。

近年來，研究者們探索了多種二維材料用于改善氫化鎂的儲氫性能：

石墨烯家族——石墨烯及其衍生物憑借高導(dǎo)電性和巨大比表面積，顯著降低氫化鎂的放氫溫度，加快吸放氫速率。

二維金屬與金屬氧化物——超薄金屬納米片和層狀金屬氧化物展現(xiàn)出獨特的催化活性，其豐富的表面缺陷成為氫分子解離的“熱點”。

MXenes——由過渡金屬碳/氮化物構(gòu)成，兼具金屬導(dǎo)電性和親水性表面，在催化氫化鎂吸放氫方面表現(xiàn)亮眼。

其他二維材料——從六方氮化硼到層狀雙氫氧化物，各類二維材料各顯神通，為鎂基儲氫性能優(yōu)化提供了豐富的工具箱。

總結(jié)與展望

(1) 二維非金屬基材料的催化效果主要歸因于獨特的層狀結(jié)構(gòu)為Mg/MgH2提供了豐富的成核和生長中心，為H原子擴散提供了更多的通道，有效抑制Mg/MgH2顆粒在脫氫/再氫化過程中的團聚與生長。而對于二維過渡金屬基催化材料，活性物質(zhì)如過渡金屬和/或過渡金屬氫化物的原位形成是其高催化活性的主要來源。事實上，二維材料的微觀結(jié)構(gòu)與其催化活性之間的具體關(guān)系尚不清晰，許多內(nèi)在因素仍需進(jìn)一步探索。將來應(yīng)通過原位表征系統(tǒng)或其它高等光譜學(xué)手段對復(fù)合材料在吸/放氫過程中精細(xì)結(jié)構(gòu)的演變進(jìn)行進(jìn)一步的觀測與研究，從而為催化機理提供確鑿的證據(jù)。

(2)利用二維材料作為催化劑載體時，其表面化學(xué)性質(zhì)、電子結(jié)構(gòu)以及與與負(fù)載活性組分的界面耦合效應(yīng)等對降低復(fù)合儲氫體系的操作溫度、加快吸/放氫動力學(xué)速率以及改善鎂儲氫的循環(huán)穩(wěn)定性將產(chǎn)生顯著的影響。因此，如何通過表面修飾、異質(zhì)原子摻雜或界面工程策略定向優(yōu)化其表面化學(xué)與電子結(jié)構(gòu)，構(gòu)建兼具高催化活性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的復(fù)合催化劑體系，實現(xiàn)MgH2儲氫性能的全面調(diào)控還需要進(jìn)一步地研究。

(3)以二維材料為功能載體，通過氫化法將Mg/MgH2儲氫體系限制在二維材料的納米孔道內(nèi)，結(jié)合過渡金屬對吸/放氫反應(yīng)的催化作用與二維載體對Mg/MgH2粒徑的調(diào)控，使催化技術(shù)與納米工程有機結(jié)合，是實現(xiàn)復(fù)合儲氫體系熱力學(xué)和動力學(xué)協(xié)同改進(jìn)的有效策略。然而，如何在保持高催化活性的同時降低支架材料的引入所帶來的儲氫容量的損失，是未來研究者們需要持續(xù)關(guān)注且解決的難題。

文章信息

劉芳, 王佳麗, 陳偉, 嚴(yán)雄仲, 張曉英, 田甜, 信翔宇, 劉光, 宋宇飛. 二維材料在鎂基固態(tài)儲氫領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)展. 科學(xué)通報, 2026, 71(3): 704–720

Liu F, Wang J, Chen W, Yan X, Zhang X, Tian T, Xin X, Liu G, Song Y. Application progress of two-dimensional materials in magnesium-based solid-state hydrogen storage (in Chinese). Chin Sci Bull, 2026, 71(3): 704–720, doi: 10.1360/TB-2024-1329

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