北京航空航天大學(xué)水江瀾教授課題組首次綜述了一系列物理吸附和化學(xué)吸附以外的非經(jīng)典儲氫機(jī)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(jī)制的復(fù)雜性有一個清晰的認(rèn)識，推動儲氫材料的多樣化設(shè)計。該綜述題為“Non-classical hydrogen storage mechanisms other than chemisorption and physisorption”發(fā)表于《Applied Physics Reviews》（應(yīng)用物理評論，IF=19.162），第一作者為北京航空航天大學(xué)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(jìn)行電話采訪，并在AIP 科學(xué)亮點Scilight網(wǎng)站就該綜述發(fā)布專題報導(dǎo)。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(shù)是氫能大規(guī)模應(yīng)用的前提條件，因此儲氫技術(shù)的研究具有非常重要的意義。傳統(tǒng)的儲氫材料研究中，根據(jù)材料與氫氣的相互作用方式，儲氫機(jī)制通常分為化學(xué)吸附和物理吸附?；瘜W(xué)吸附是指將氫分子分解成氫原子，然后通過化學(xué)鍵與材料結(jié)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。現(xiàn)有的儲氫技術(shù)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(jīng)濟(jì)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(jī)物、間隙氫化物、復(fù)合氫化物和化學(xué)氫。一般來說，吸附劑的儲氫機(jī)制是物理吸附，而液體有機(jī)物、間隙氫化物、復(fù)合氫化物和化學(xué)氫的儲氫機(jī)制是化學(xué)吸附?；谖锢砦綑C(jī)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(xué)吸附機(jī)制的儲氫材料由于強(qiáng)結(jié)合力，氫的釋放非常困難，往往需要高溫條件，并且反復(fù)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)會破壞材料結(jié)構(gòu)，造成材料循環(huán)性不佳。由此可見，傳統(tǒng)儲氫材料存在一定問題，內(nèi)在機(jī)制的探索是材料性能優(yōu)化的關(guān)鍵。本文不受限于傳統(tǒng)機(jī)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(jī)制，同時結(jié)合經(jīng)典儲氫機(jī)制，論述了目前儲氫材料研究中的關(guān)鍵點和難點，并提出了對這些新興儲氫機(jī)制和新儲氫材料的展望。▲圖1 四種非經(jīng)典儲氫材料和機(jī)制的示意圖。本文綜述了四種非經(jīng)典儲氫機(jī)制，機(jī)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(qiáng)度介于化學(xué)吸附和物理吸附之間，具有合適的反應(yīng)溫度。文獻(xiàn)報導(dǎo)的Kubas儲氫材料如圖2所示。2. 納米泵效應(yīng)，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(qiáng)的吸附力可以增加層間的氫密度，從而實現(xiàn)高密度的氫存儲。3. 非解離型化學(xué)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(chǎn)生較強(qiáng)的氫結(jié)合力，但是這種強(qiáng)結(jié)合力不同于化學(xué)吸附會使氫分子斷裂形成氫原子，是兼顧物理吸附和化學(xué)吸附優(yōu)勢的儲氫機(jī)制。4. 弱結(jié)合氫原子吸收，金屬氫化物是傳統(tǒng)的化學(xué)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(jīng)典的化學(xué)吸附。這種結(jié)合力相對較弱的氫存儲很好的改善了傳統(tǒng)化學(xué)吸附儲氫材料熱力學(xué)不佳的劣勢。▲圖2. Kubas儲氫機(jī)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(yīng)用的要求，除了新材料的開發(fā)，機(jī)理的研究也是至關(guān)重要的。僅僅基于傳統(tǒng)機(jī)制來理解和設(shè)計儲氫材料是不恰當(dāng)?shù)?，?chuàng)新的儲氫機(jī)制將有助于打破儲氫性能的瓶頸，開發(fā)出更先進(jìn)的實用材料。同時本文關(guān)于進(jìn)一步促進(jìn)儲氫材料的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，提出了一系列建議，包括：1. 為了準(zhǔn)確推測儲氫機(jī)理，應(yīng)使用多種原位和準(zhǔn)原位表征技術(shù)來分析氫化前后的樣品；2. 建議聯(lián)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(jìn)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(yīng)將實驗和多尺度理論模擬相結(jié)合，以更好地分析氫吸附和解吸過程，確定性能的關(guān)鍵影響因素；4. 除了儲氫密度，在材料的研究中還應(yīng)該關(guān)注循環(huán)穩(wěn)定性，儲存穩(wěn)定性和安全問題，以及生產(chǎn)成本和可控制備技術(shù)。水江瀾，北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授，博導(dǎo)。本科就讀于天津大學(xué)化工學(xué)院，先后于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（2006年）和美國羅切斯特大學(xué)（2010年）獲雙博士學(xué)位，在美國阿貢國家實驗室（2010-2013年）和凱斯西儲大學(xué)（2013-2014年）進(jìn)行博士后研究工作。當(dāng)前研究領(lǐng)域聚焦氫能關(guān)鍵材料與器件，包括電催化劑、儲氫材料、質(zhì)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(quán)中國/美國發(fā)明專利7項。
