近日，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院氫科學(xué)中心的鄒建新教授課題組與鄧濤團(tuán)隊(duì)的鄔劍波特別研究員課題組合作在鎂基儲(chǔ)氫材料領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展。相關(guān)成果以“Visualization of fast ”hydrogen pump“ in core-shell nanostructured Mg@Pt through hydrogen-stabilized Mg3Pt”為題，發(fā)表在能源類國(guó)際頂級(jí)期刊Journal of Chemistry Materials A（IF=10.733）上。該工作以Mg基儲(chǔ)氫材料為對(duì)象，研究了Pt納米催化劑包覆對(duì)Mg儲(chǔ)氫性能的影響，通過(guò)原位TEM觀察MgH2放氫過(guò)程，結(jié)合DFT理論計(jì)算，深入研究了過(guò)渡金屬納米催化劑對(duì)鎂儲(chǔ)氫的“氫泵”作用機(jī)理，這對(duì)先進(jìn)鎂基儲(chǔ)氫材料的設(shè)計(jì)與制備具有重要的理論指導(dǎo)意義。

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圖1核殼結(jié)構(gòu)Mg@Pt納米復(fù)合材料的TEM圖

圖2 氫化后Mg@Pt的TEM圖、原位放氫過(guò)程（g）及XRD圖譜（h）

鎂基儲(chǔ)氫材料是非常有應(yīng)用潛力的固態(tài)儲(chǔ)氫介質(zhì)，其儲(chǔ)氫密度高（7.6 wt% H2）、環(huán)境友好、資源豐富。然而熱力學(xué)穩(wěn)定（ΔH =-75 kJ mol-1H2）和放氫動(dòng)力學(xué)緩慢（放氫溫度~ 300 oC）以及在空氣中易被氧化這些缺點(diǎn)限制了它的實(shí)際應(yīng)用。該研究通過(guò)電弧等離子體法和固相反應(yīng)法制備得到了以二十面體Mg顆粒為核心、納米Pt均勻分布在Mg表面的具有核殼結(jié)構(gòu)的Mg@Pt納米復(fù)合材料，顯著提升了Mg的吸放氫性能（圖1）。采用高分辨透射電鏡（HRTEM）觀察了Mg@Pt的微結(jié)構(gòu)，并原位觀察了MgH2/Pt復(fù)合材料的放氫過(guò)程。結(jié)果表明，吸氫過(guò)程中，Mg顆粒上的Pt具有明顯的“溢流作用”，可以通過(guò)分解氫分子來(lái)改善Mg的吸氫動(dòng)力學(xué)性能；繼續(xù)吸氫后，Pt轉(zhuǎn)化為H穩(wěn)定化的Mg3Pt（圖2）。DFT計(jì)算和原位TEM觀察表明，在放氫過(guò)程中，H穩(wěn)定化的Mg3Pt在MgH2放氫的過(guò)程中扮演了“氫泵”角色，當(dāng)MgH2完全放氫后Mg3Pt再次轉(zhuǎn)化為Pt。通過(guò)這種作用，MgH2/Pt復(fù)合材料的放氫性能得到了改善。這種采用透射電鏡原位直觀展示“氫泵”作用的方法，為研究鎂基儲(chǔ)氫材料的儲(chǔ)氫機(jī)理提供了一種新的手段。

圖3 核殼結(jié)構(gòu)Mg@Pt納米復(fù)合材料的吸放氫過(guò)程機(jī)理圖

本論文第一作者為上海交通大學(xué)博士生盧翀和馬艷玲，通訊作者是鄒建新教授和鄔劍波特別研究員。該研究成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（51771112、21875137、51521004、51420105009）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018YFB1502104）、上海市基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目No.14JC1491600、上海市教委“曙光學(xué)者”項(xiàng)目、上海交通大學(xué)氫科學(xué)中心以及上海交通大學(xué)超級(jí)計(jì)算機(jī)中心的計(jì)算資源等的資助與幫助。