氫能是一種清潔能源載體，對實現全球向可持續(xù)能源轉型具有重要意義。與壓力罐或低溫容器中的儲氫相比，將氫氣可逆儲存到固態(tài)輕質金屬氫化物中具有高安全性、低成本和高儲氫能力的固有優(yōu)勢。其中，氫化鎂(MgH2)具有重量輕和體積氫密度高的優(yōu)勢，并且具有良好的可逆性，引起人們廣泛關注。然而，由于MgH2具有較高的熱力學穩(wěn)定性和活化能，因此驅動MgH2的儲氫反應需要較大的能量輸入。
為了實現MgH2的可逆儲氫，理論操作溫度應該達到280 °C左右。因此，MgH2的可逆儲氫主要依賴于復雜電熱裝置的外部能量輸入，這不可避免地降低整個系統(tǒng)的儲氫容量，而且在實際大規(guī)模應用中會帶來較高的能耗和成本。
基于此，復旦大學余學斌、方方和夏廣林等利用CuNi合金較強的局部表面等離子共振效應(LSPR)，在MgH2初始脫氫過程中，通過MgH2與CuNi合金的原位合金化反應，實現了Mg2Ni(Cu)三元合金的形成。
Mg2Ni(Cu)合金及其氫化態(tài)(即Mg2Ni(Cu)H4)表現出金屬性，能帶內/能帶間躍遷增強，在全光譜范圍內吸收超過85%；并且，由于光熱轉換效率的提高，MgH2的表面溫度在2.6 W cm-2下達到261.8 °C。
更重要的是，由于Mg2Ni(Cu)和Mg2Ni(Cu)H4中Mg-H鍵的減弱以及氫原子的低遷移勢壘，Mg2Ni(Cu)的儲氫反應在熱力學和動力學上更為有利，從而為MgH2的Mg-H鍵的自發(fā)斷裂提供了一條簡便的途徑。
此外，光致熱電子在CuNi和Mg2Ni(Cu)合金中的不均勻分布也有助于MgH2的Mg-H鍵的弱化和Mg2Ni(Cu)/Mg2Ni(Cu)H4的加速形成，從而導致光增強的“氫泵”效應改善MgH2的循環(huán)氫化和脫氫。
結果表明，Mg2Ni(Cu)的可逆生成將光熱效應和催化效應理想地結合在一起，保證了局部熱量對催化位點的直接作用而沒有任何熱損失，從而在3.5 W cm-2的輻照強度下，MgH2在15 min內完全脫氫。
此外，在循環(huán)H2脫附和吸附過程中，Mg2Ni(Cu)之間的穩(wěn)定可逆性得到了很好的保持，且其可逆儲氫容量達到6.1 wt.%，容量保持率為95%。綜上，該項研究拓展了太陽輻照下金屬氫化物合金化策略的功能性，對設計高效的光熱-催化太陽能驅動的可逆儲氫系統(tǒng)具有指導意義。
Atomic reconstruction for realizing stable solar-driven reversible hydrogen storage of magnesium hydride. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-47077-y
