近日，上海交通大学材料科学与工程学院氢科学中心邹建新教授团队在国际学术期刊《Journal of Energy Storage》（IF=9.8）发表了研究论文“Enhancing hydrogen sorption performances of MgH2 by in-situ introduction of molybdate derived FeMo nano catalysts”。该论文介绍了在MgH2中通过原位形成纳米合金催化相的方式来促进氢化物的可逆储放氢性能。论文的第一作者为上海交通大学材料科学与工程学院氢科学中心博士后张嘉祺。上海交通大学材料科学与工程学院氢科学中心邹建新教授、林羲助理研究员为论文的通讯作者。

一、研究背景

氢能作为一种极具前景的二次清洁能源得到世界各国了广泛的关注，其凭借灵活的制取方式、高能量密度和环保无污染的特点从众多的清洁能源中脱颖而出。镁基固态储氢材料中特别是Mg/MgH2体系，由于具备较高的理论储氢容量(7.6wt%、110 g/L)且环境友好、吸放氢可逆，受到了储氢材料学界的普遍关注。然而其较高的脱氢温度(＞300℃)和缓慢的动力学性能依然困扰着Mg/MgH2在固态储氢领域的发展，也严重阻碍了其在实际中的应用。

本文尝试以g-C3N4(NCN)纳米片为载体，在MgH2中通过原位构建的方式形成FeMo合金纳米催化剂以促进镁基氢化物的吸放氢性能。在载体材料的纳米限域效应和原位催化作用的共同影响下，所得到的复合材料热力学与动力学性能均得到显著改善，展现出优异的储放氢性能。在此基础上，采用一系列微观结构表征及理论计算方法对复合材料的结构外貌和催化性能进行了研究，系统阐明了FeMo合金的催化机制，为未来设计高效储氢材料提供了理论基础和指导。

二、图文导读

研究团队通过湿化学工艺制备了由g-C3N4负载的FeMoO4纳米双相催化剂。晶粒的平均尺寸基本在200 nm以下，呈现出二维纳米棒及颗粒双相形貌。高比表面积的石墨相氮化碳为之后Mg/MgH2的负载提供了丰富的形核生长位点。

图1 催化剂合成及结构表征

所制备的复合材料起始脱氢温度约为187℃，在275℃下6 min内可迅速释放全部氢气，复合材料的脱氢和吸氢活化能分别比商业MgH2下降了69.3 kJ/mol和27.68 kJ/mol。在50个循环后，复合材料的储氢容量保持率仍在95%以上。

图2 复合材料吸/放氢性能数据

催化机理的研究表明，FeMoO4@NCN在第一次吸放氢过程中在Mg/MgH2颗粒表面原位形成了FeMo合金相，这是整个体系动力学提升的主要原因，NCN较高的比表面积和层状边缘的暴露更有利于FeMo的均匀分布，其三种不同构型的氮加速了吸/脱氢过程中复合体系的电子转移，从而间接促进了FeMo的催化活性。

图3 复合储氢材料的吸放氢机理研究

这项工作不仅为改善镁基氢化物的储氢性能提供了改性策略，同时补充了纳米材料催化Mg/MgH2吸放氢的研究机理，对设计高性能新型储氢材料具有参考意义。该工作的得到了国家自然科学基金委、国家重点研发项目、国家资助博士后研究人员计划，科协青年人才托举计划等项目的资助。