Small Structures: 双功能Nb/V界面改善MgH₂循环储氢性能

高效、安全的高密度氢存储技术是目前制约氢能发展的主要瓶颈之一。氢化镁具有重量储氢密度高(7.6 wt.%)和资源丰富的突出优势,受到了广泛关注。然而,由于热力学稳定和动力能较高,MgH2的实际可逆储氢的温度超过400 ℃。添加Nb基催化剂是降低其工作温度的有效方式。但添加Nb基催化剂后,MgH2的实际工作温度仍然超过250 ℃,且限制Nb基催化剂作用的机制尚不清楚。

复旦大学余学斌教授、夏广林青年研究员等团队人员将微量的V引入Nb2O5中,构建出由纳米颗粒构成的V4Nb18O55微米球。这种结构不仅有利于V4Nb18O55纳米颗粒在MgH2中的均匀分布,提升促进其催化作用,而且还在分子尺度均一构筑出Nb/V界面。在MgH2可逆储氢过程中,V4Nb18O55氧化物被还原为金属V和Nb以及一些低价Nb物种。理论与实验研究证明,金属Nb相比其他Nb基化合物表现出最好的催化效果。源于Nb对H原子的强吸附能力,MgH2中的Mg-H键可自发断裂,但H原子在金属Nb表面的键合能垒达到0.88 eV,从而导致Nb基化合物的催化效果受限。Nb/V界面的均匀构建保留了Nb弱化Mg-H键的能力,而且还借助微量V的引入减弱了金属Nb对H原子的强吸附能力,使整个脱氢过程的能垒降低至0.5 eV,分别比金属Nb和金属V降低0.22和0.43 eV。结果表明,在V4Nb18O55微米球的催化下,MgH2的起始放氢温度降低至165 ℃,相对于纯MgH2降低了125 ℃。此外,完全放氢后所产生的Mg可在室温下实现完全再氢化。经过10次吸放氢循环后,体系可逆储氢容量约为6.0 wt.%。

论文信息:

Design of bifunctional Nb/V interfaces for improving reversible hydrogen storage performance of MgH2

Yang Meng, Shunlong Ju, Wei Chen, Xiaowei Chen, Guanglin Xia*, Dalin Sun, Xuebin Yu*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202200119

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/sstr.202200119