北京航空航天大學水江瀾教授課題組首次綜述了一系列物理吸附和化學吸附以外的非經典儲氫機制。這篇綜述可以使研究人員對儲氫材料的多樣性和儲氫機制的復雜性有一個清晰的認識，推動儲氫材料的多樣化設計。該綜述題為“Non-classical hydrogen storage mechanisms other than chemisorption and physisorption”發(fā)表于《Applied Physics Reviews》（應用物理評論，IF=19.162），第一作者為北京航空航天大學博士生劉世媛，通訊作者為水江瀾教授。同時該文章被APR編輯選中為“本期最優(yōu)秀的文章之一”，通訊作者水江瀾教授受邀進行電話采訪，并在AIP 科學亮點Scilight網站就該綜述發(fā)布專題報導。https://aip.scitation.org/doi/10.1063/10.0011734氫氣是一種清潔、高能量密度的可再生能源，有望幫助人類擺脫對化石能源的依賴。高效的儲氫技術是氫能大規(guī)模應用的前提條件，因此儲氫技術的研究具有非常重要的意義。傳統的儲氫材料研究中，根據材料與氫氣的相互作用方式，儲氫機制通常分為化學吸附和物理吸附?；瘜W吸附是指將氫分子分解成氫原子，然后通過化學鍵與材料結合。物理吸附指的是氫分子通過范德華力吸附在高比表面積的材料表面?，F有的儲氫技術如高壓氣瓶、液態(tài)氫等都存在一定的缺陷，如安全性，儲氫密度、經濟性等等。按照美國能源部的分類，儲氫材料主要包括吸附劑、液體有機物、間隙氫化物、復合氫化物和化學氫。一般來說，吸附劑的儲氫機制是物理吸附，而液體有機物、間隙氫化物、復合氫化物和化學氫的儲氫機制是化學吸附?；谖锢砦綑C制的儲氫材料，如MOF和碳材料，由于材料和氫氣的相互作用力很弱，難以在適宜的溫度和壓力條件下穩(wěn)定的存儲氫。而基于化學吸附機制的儲氫材料由于強結合力，氫的釋放非常困難，往往需要高溫條件，并且反復發(fā)生化學反應會破壞材料結構，造成材料循環(huán)性不佳。由此可見，傳統儲氫材料存在一定問題，內在機制的探索是材料性能優(yōu)化的關鍵。本文不受限于傳統機制的分析思路，著重綜述了近年發(fā)表的相對小眾的儲氫材料并提出了新儲氫機制，同時結合經典儲氫機制，論述了目前儲氫材料研究中的關鍵點和難點，并提出了對這些新興儲氫機制和新儲氫材料的展望。本文綜述了四種非經典儲氫機制，機制示意圖如圖1所示，分別為：1. Kubas相互作用，指氫氣的σ分子軌道和金屬原子的d軌道之間的相互作用。Kubas相互作用的強度介于化學吸附和物理吸附之間，具有合適的反應溫度。文獻報導的Kubas儲氫材料如圖2所示。2. 納米泵效應，堆疊2D材料的層間距很小時，氫吸附焓會顯著增大。這種增強的吸附力可以增加層間的氫密度，從而實現高密度的氫存儲。3. 非解離型化學吸附，部分具有開放金屬位點的多孔材料（如MOF），在金屬位點出會產生較強的氫結合力，但是這種強結合力不同于化學吸附會使氫分子斷裂形成氫原子，是兼顧物理吸附和化學吸附優(yōu)勢的儲氫機制。4. 弱結合氫原子吸收，金屬氫化物是傳統的化學吸附儲氫材料，但是納米氫化物表面由于不飽和配位和晶格缺陷，其儲氫特征不同于經典的化學吸附。這種結合力相對較弱的氫存儲很好的改善了傳統化學吸附儲氫材料熱力學不佳的劣勢。▲圖2. Kubas儲氫機制原理示意圖(a-d)和代表性材料錳氫化物分子篩的儲氫性能(e-f)。為了使儲氫材料的綜合性能滿足實際應用的要求，除了新材料的開發(fā)，機理的研究也是至關重要的。僅僅基于傳統機制來理解和設計儲氫材料是不恰當的，創(chuàng)新的儲氫機制將有助于打破儲氫性能的瓶頸，開發(fā)出更先進的實用材料。同時本文關于進一步促進儲氫材料的發(fā)展和廣泛應用，提出了一系列建議，包括：1. 為了準確推測儲氫機理，應使用多種原位和準原位表征技術來分析氫化前后的樣品；2. 建議聯合使用Sieverts法，重量法以及TPD-MS和TG等儲氫量檢測方法對材料性能進行測試，有助于消除由單個儀器或特定測量方法引起的測量誤差；3. 應將實驗和多尺度理論模擬相結合，以更好地分析氫吸附和解吸過程，確定性能的關鍵影響因素；4. 除了儲氫密度，在材料的研究中還應該關注循環(huán)穩(wěn)定性，儲存穩(wěn)定性和安全問題，以及生產成本和可控制備技術。水江瀾，北京航空航天大學材料科學與工程學院教授，博導。本科就讀于天津大學化工學院，先后于中國科學技術大學（2006年）和美國羅切斯特大學（2010年）獲雙博士學位，在美國阿貢國家實驗室（2010-2013年）和凱斯西儲大學（2013-2014年）進行博士后研究工作。當前研究領域聚焦氫能關鍵材料與器件，包括電催化劑、儲氫材料、質子膜燃料電池等。迄今已發(fā)表SCI論文近100篇，包括Science, Nat. Nanotechnol., Nat. Catal., Nat. Commun., Sci. Adv., PNAS, J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., ACS nano, ACS Energy Lett., Nano Lett.等國際著名期刊，授權中國/美國發(fā)明專利7項。
