近日，上海交通大学氢科学中心邹建新教授团队在国际知名期刊《ACSNano》上发表了利用MXenes材料负载纳米氢化镁的研究成果：“Nanoconfined and in SituCatalyzed MgH2Self-Assembled on 3D Ti3C2MXene Folded Nanosheets with Enhanced Hydrogen Sorption Performances”。邹建新教授为该论文的通讯作者，博士生朱文为该论文的第一作者。
氢化镁（MgH2）是一种理想的固态储氢材料，具有储氢密度高、成本低、安全性好的优势，但其过于稳定的热力学及缓慢的吸放氢动力学性能严重制约了其应用范围。“纳米限域”被认为是一种提高镁基储氢材料性能的有效途径，可提升热／动力学性能。然而传统的“纳米限域”用碳基体材料（如多孔活性炭、碳凝胶、碳纳米管等）很难兼具高的MgH2/Mg装载率及良好的吸放氢催化效应。由于具有高比表面积、良好的化学/物理稳定性、较高的热导率、及优异的催化作用等特点，二维过渡金属碳/氮化物（MXenes）材料被认为是限域MgH2/Mg的理想材料。然而，由于MXenes表面的含氧化学基团（-OH、-O等）引起的纳米片层间堆叠问题及氧化问题，利用MXenes负载纳米MgH2来提高其储氢性能的研究还未见报道。
图1MgH2@Ti-MX复合储氢材料的形貌表征（a-b），MgH2@Ti-MX在不同温度下的等温吸氢曲线（c）及等温放氢曲线（d）
在本研究中，邹建新团队利用十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）与Ti3C2Tx（MXene）之间的静电作用构建了一种三维褶皱结构，有效地抑制了纳米片层间的堆叠风险。然后利用煅烧处理的三维褶皱Ti3C2Tx作为基体成功的对纳米MgH2颗粒进行了均匀负载（图1a-b），获得的复合储氢材料（MgH2@Ti-MX）具有较高的储氢容量（4.1wt%），并在较低温度下表现出快速的吸放氢动力学（图1c-d）及优异的循环稳定性能。例如60MgH2@Ti-MX复合物的起始放氢温度为140℃，且能够在150℃下2.5h内释放约3.0wt%的氢气，在200oC进行快速吸放氢循环60次无明显容量和动力学衰减。进行测试的放氢温度已位于高温质子交换膜（HT-PEM）燃料电池的工作温度范围（80-200℃）内，因此MgH2@Ti-MX复合储氢材料可与HT-PEM结合来利用燃料电池废热放氢，在分布式发电、燃料电池汽车等领域具有应用前景。在整个材料体系中，Ti-MX不仅为Mg/MgH2纳米颗粒提供大量的限域位点，而且对Mg/MgH2的吸放氢表现显著催化作用。
图2MgH2@Ti-MX复合储氢材料不同状态下的XPS表征，及其放氢过程中的in-situ HRTEM表征
图3MgH2@Ti-MX复合储氢材料的储放氢机理示意
通过XRD、XPS、TEM及原位HRTEM等进一步测试（图2）发现：在MgH2(Mg)/Ti-MX界面处原位生成的纳米TiH2相在体系吸放氢过程中起到了关键作用。在电子束辐照条件下，MgH2在TiH2附近先分解放氢，随后逐渐扩展至整个颗粒，而TiH2也逐步分解为TiH和Ti。在“纳米限域”及“原位纳米催化”的双重作用下（图3），MgH2@Ti-MX复合储氢材料表现出优异的储氢性能。本工作不仅提供了一种镁基储氢材料的改性策略，大幅降低了MgH2的放氢温度，同时也为其它储能材料的“纳米限域”研究带来了新思路。
本工作得到了上海交通大学氢科学中心、国家自然科学基金委、上海市科学技术委员会、上海市教育委员会等单位的资助。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.1c08343