Advanced Materials:基于复合氢化物的能源存储、转化和利用

先进的功能材料是清洁能源开发利用中的关键。复合氢化物就是这样一类含氢的功能化合物。它通常可表示为M(XHn)m,其中M为金属离子(可含多种金属元素),X为Al、B、C、N、O、过渡金属(TM)等。H与X之间可通过离子键或共价键结合形成种类繁多、电子结构特殊的复合阴离子[XHn]y-,这赋予了复合氢化物多元化的化学和物理特性。复合氢化物自1997年被发现可作为储氢材料之后,在能源与材料领域得到了广泛而深入的研究,其应用也已涉及能源存储、转化和利用等多个领域。由轻质元素构筑的复合氢化物具有氢含量高、种类繁多、性能可调变等优点,可满足不同场景下储氢需求;而该类材料在吸脱氢过程中涉及到大量热量的释放和吸收,这一特性可应用于太阳能和化工废热的存储;同时,复合氢化物一般具有较大的阴离子基团,晶体结构中形成了金属阳离子通道的特点赋予了该材料兼具良好的离子迁移特性,有望成为固体电解质在全固态电池中发挥作用;除此之外,在复合氢化物表面上进行的吸脱氢过程涉及到氢气的吸附活化、解离、扩散等过程,这使得该类材料在一些重要的加/脱氢反应中表现出优异的催化性能。

近期,中国科学院大连化学物理研究所陈萍研究员课题组系统总结了复合氢化物在上述储氢、储热、离子传导和催化转化等方面的最新研究进展,系统阐述了材料设计思路、合成方法及性能优化策略。虽然历经20多年的研究积累,但复合氢化物丰富的多元性和可调变性使得该类材料的研发空间仍然很大,许多研究挑战和技术难题仍待攻克。作者特别就此提出了见解和展望:1)发展光、电、热等多种能量形式耦合驱动的复合氢化物介入的能量存储与转化过程。研究复合氢化物的光/电特性,利用光/电驱动氢气的吸收与脱附,克服反应热力学限制和动力学阻力及提高选择性,进而开发出具有光电响应或光电驱动的复合氢化物材料体系;2)拓展复合氢化物至有机体系。目前无机复合氢化物的研究相对较成熟,然而种类丰富、性能多样的有机物用作储氢的研究相对较少。因此开发金属有机复合氢化物这一有机-无机杂化新体系,可大大拓展复合氢化物的种类,为材料筛选和性能优化提供更多可能。3)加大先进的材料表征手段和理论计算方法的利用。复合氢化物高的反应活性和不稳定性导致常规技术手段难以捕捉、解析其微观反应状态及反应机制。先进表征手段和理论计算方法将有利于解决这一问题,加快建立材料组成-结构-性能之关系,增强对材料基础研究的深度了解。随着化学、材料、物理以及制造技术等多学科领域的不断发展和交叉融合,必将推动复合氢化物的基础与应用研究的发展。作者相信此研究综述将会对新能源、储氢、储热、电化学和催化等研究领域的科研人员有所帮助。

相关论文以“Complex Hydrides for Energy Storage, Conversion, and Utilization”为题,在线发表在Advanced Materials上(DOI:10.1002/adma.201902757)。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委等项目的资助。