复旦大学材料科学系xuebin yu等--太阳能驱动可逆贮氢

缺乏安全高效的储氢装置是氢能大规模应用的主要瓶颈。具有高理论重量和体积氢密度的轻质金属氢化物可逆储氢是一种理想的溶液，但需要极高的工作温度和大的能量输入。本文以MgH₂为例，通过耦合均匀分布在MXene纳米片表面的铜纳米颗粒的光热效应和催化作用，实现了一种太阳能驱动的金属氢化物可逆储氢的概念(Cu@MXene)。Cu@MXene的光热效应，加上MgH₂导热性能差所导致的“热隔离”作用，有效地提高了MgH₂在太阳照射下的温度。另一方面，MXene表面由MgH₂还原而原位形成的Ti和TiHx物种的“氢泵”效应，有效地缓解了动力学障碍，从而降低了MgH₂可逆的氢气吸附和解吸所需的操作温度。基于Cu@MXene的光热和催化作用的结合，以太阳照射作为唯一的能源，MgH₂经过30次循环后可获得5.9 wt.%的可逆储氢能力。

图1 (a)Cu@MXene合成的示意图。(b)合成的Cu@MXene和MXene的XRD图谱和(c) XPS测量光谱。(d) Cu@MXene的高分辨率Cu 2p XPS谱。(e) Cu@MXene的SEM图像。(f) Cu@MXene中铜纳米颗粒的TEM图像。(g) Cu@MXene的EDS元素映射图像。

图2. (a) Cu@MXene和MXene的UV-vis-NIR吸收光谱。(b) Cu@MXene和MXene照射120 s后观察到的温度与光强的关系。(c)在0.4 W/cm²光强下，红外热成像仪记录的Cu@MXene和MXene表面温度的原位检测。(d) FDTD模拟局域电场增强曲线。

图3(a) MgH₂分别在Cu@MXene和MXene催化下在240℃的等温脱氢曲线。(b) MgH₂在Cu@MXene催化下在不同温度下的等温脱氢曲线。(c) MgH₂分别在Cu@MXene和MXene催化下在250℃的等温加氢曲线。(d)不同温度下Cu@MXene催化MgH₂的等温加氢曲线。(e)分别计算Ti, TiH和TiH₂催化下MgH₂释放一个H₂分子的能量分布。

图4. (a)温度对光照的响应;(b) Cu@MXene和MXene催化下MgH₂对应的H₂解吸曲线，其中包括纯MgH₂作为比较。(c)温度对光照的响应;(d)不同光照强度下Cu@MXene催化MgH₂的H2解吸曲线。(e)使用4 W/cm²的光强度在Cu@MXene催化下MgH₂的循环H₂解吸曲线。

图5(a)基于Cu@MXene的光热和催化效应的太阳能驱动的MgH₂可逆储氢示意图。(b)表面温度，(c) uv - visi - nir吸收光谱，(d)在2.61 W/cm²的光强下，Cu@MXene以不同比例催化MgH₂的H₂解吸度的比较。

相关科研成果由复旦大学材料科学系Xuebin Yu等人于2022年发表在Advanced Materials (doi: 10.1002/adma.202206946)上。原文：Solar-Driven Reversible Hydrogen Storage。