科學通報 | 突破氫氣儲運瓶頸：二維材料為鎂基固態儲氫注入新動能

本文聚焦二維材料在MgH2儲氫體系中的改性研究，系統綜述了石墨烯、二維金屬及氧化物、MXene等二維材料作為催化劑或載體在增強MgH2吸/放氫性能方面的研究進展與作用機制，剖析了當前二維催化劑中存在的問題，對其發展進行了展望，為突破鎂基儲氫材料實用化壁壘提供了理論參考。

在能源轉型的全球浪潮中，氫能以其高熱值、零排放和可再生特性，被譽為替代化石燃料的理想選擇。然而，氫能產業化面臨一個“卡脖子”難題：如何安全、高效、低成本地儲存和運輸氫氣？

傳統的儲氫方式各有短板——高壓氣態儲氫如同給氣球打氣打到數百倍大氣壓，成本高且存在泄漏風險；低溫液態儲氫則需將氫氣冷卻至零下253℃，能耗驚人。

固態儲氫技術異軍突起，通過物理吸附或化學反應將氫氣“鎖”在固體材料中，儲氫密度可達傳統方式的數倍，且安全可靠，成為破解儲氫困局的關鍵突破口。

在眾多固態儲氫材料中，氫化鎂（MgH?）憑借“一高兩低”的突出優勢備受矚目：儲氫容量高達7.6 wt%，體積儲氫密度約110 kg/m3；鎂資源豐富，占地殼質量的2.35%；價格低廉，可逆性好。這些特性使其成為最具規模化應用前景的固態儲氫“種子選手”。

然而，氫化鎂的大規模應用卻遭遇三大“攔路虎”：

熱力學壁壘——穩定的熱力學性能（脫氫焓值?H=-74.7 kJ/mol H2）使其放氫溫度過高（> 300℃）；

動力學瓶頸——緩慢的動力學速率（反應活化能Ea=145.08 kJ/mol）導致其吸/放氫過程往往需要耗費相對較長的時間；

循環退化——過程中不可避免的團聚與生長最終造成儲氫性能的衰退與儲氫容量緩慢的動力學速率（反應活化能Ea=145.08 kJ/mol）導致其吸/放氫過程往往需要耗費相對較長的時間的損失。

如何攻克這三大難題？科學家們找到了最有效的“鑰匙”——添加催化劑。

近年來，研究者們探索了多種二維材料用于改善氫化鎂的儲氫性能：

石墨烯家族——石墨烯及其衍生物憑借高導電性和巨大比表面積，顯著降低氫化鎂的放氫溫度，加快吸放氫速率。

二維金屬與金屬氧化物——超薄金屬納米片和層狀金屬氧化物展現出獨特的催化活性，其豐富的表面缺陷成為氫分子解離的“熱點”。

MXenes——由過渡金屬碳/氮化物構成，兼具金屬導電性和親水性表面，在催化氫化鎂吸放氫方面表現亮眼。

其他二維材料——從六方氮化硼到層狀雙氫氧化物，各類二維材料各顯神通，為鎂基儲氫性能優化提供了豐富的工具箱。

總結與展望

(1) 二維非金屬基材料的催化效果主要歸因于獨特的層狀結構為Mg/MgH2提供了豐富的成核和生長中心，為H原子擴散提供了更多的通道，有效抑制Mg/MgH2顆粒在脫氫/再氫化過程中的團聚與生長。而對于二維過渡金屬基催化材料，活性物質如過渡金屬和/或過渡金屬氫化物的原位形成是其高催化活性的主要來源。事實上，二維材料的微觀結構與其催化活性之間的具體關系尚不清晰，許多內在因素仍需進一步探索。將來應通過原位表征系統或其它高等光譜學手段對復合材料在吸/放氫過程中精細結構的演變進行進一步的觀測與研究，從而為催化機理提供確鑿的證據。

(2)利用二維材料作為催化劑載體時，其表面化學性質、電子結構以及與與負載活性組分的界面耦合效應等對降低復合儲氫體系的操作溫度、加快吸/放氫動力學速率以及改善鎂儲氫的循環穩定性將產生顯著的影響。因此，如何通過表面修飾、異質原子摻雜或界面工程策略定向優化其表面化學與電子結構，構建兼具高催化活性與結構穩定性的復合催化劑體系，實現MgH2儲氫性能的全面調控還需要進一步地研究。

(3)以二維材料為功能載體，通過氫化法將Mg/MgH2儲氫體系限制在二維材料的納米孔道內，結合過渡金屬對吸/放氫反應的催化作用與二維載體對Mg/MgH2粒徑的調控，使催化技術與納米工程有機結合，是實現復合儲氫體系熱力學和動力學協同改進的有效策略。然而，如何在保持高催化活性的同時降低支架材料的引入所帶來的儲氫容量的損失，是未來研究者們需要持續關注且解決的難題。

文章信息

劉芳, 王佳麗, 陳偉, 嚴雄仲, 張曉英, 田甜, 信翔宇, 劉光, 宋宇飛. 二維材料在鎂基固態儲氫領域中的應用進展. 科學通報, 2026, 71(3): 704–720

Liu F, Wang J, Chen W, Yan X, Zhang X, Tian T, Xin X, Liu G, Song Y. Application progress of two-dimensional materials in magnesium-based solid-state hydrogen storage (in Chinese). Chin Sci Bull, 2026, 71(3): 704–720, doi: 10.1360/TB-2024-1329

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