Breakthrough Research Achieves High-Density Hydrogen Storage

摘 要

纳米多孔材料在气体储存方面引起了极大的关注，但实现高体积储存容量仍然是一个挑战。在这里，通过使用中子粉末衍射、体积气体吸附、非弹性中子散射和第一原理计算，我们研究了具有小孔和部分带负电的非平坦内部的硼氢化镁框架，用于吸收氢和氮。氢和氮在孔隙中占据明显不同的吸附位点，其极限容量差异很大，为每个 Mg(BH4)2 中 2.33 H2 和 0.66 N2。氢分子堆积极其致密，密度约为液态氢的两倍（每升孔体积含有 144 克氢气）。我们发现了一个五二氢簇，其中一个位置的 H2 分子具有旋转自由度，而另一个位置的 H2 分子具有明确的方向以及与框架的定向相互作用。这项研究表明，在环境压力下，密集的氢可以稳定在小孔材料中。

正 文

高效储氢是未来能源系统的重要组成部分，现已成为现实。这一突破为提高氢能利用的效率和经济可行性带来了巨大的希望，因为它能够以高密度储存氢气。

UNIST 化学系的 Hyunchul Oh 教授报告了储氢领域的突破性进展。该研究重点关注纳米多孔硼氢化镁结构（Mg(BH4)2），该结构即使在正常大气压下也表现出以高密度储存氢气的能力。研究团队采用先进的高密度吸附技术，成功克服了氢气储存和运输过程中普遍遇到的储氢能力低的难题。

Oh 教授解释说：“我们开发的材料有潜力安全有效地储存大量氢气，超越传统的储氢方法。”

氢是一种很有前景的未来燃料，但由于其分子间相互作用较弱，在大规模储存方面存在困难。以前的方法依靠在相同体积内显著增加压力至 700 个大气压或将温度降低至 -253 摄氏度来实现大容量存储。然而，这些方法在效率方面存在不足。

研究小组通过掺入固体氢化硼(BH4)2 和金属阳离子镁（Mg+），成功合成了纳米多孔复合氢化物——氢化镁。所开发的材料可以以三维排列方式存储五个氢分子，从而实现高密度储氢。

报道的材料表现出每体积孔的储氢能力为 144 g/L，超过了其他方法，例如以液态形式存储氢气 (70.8 g/L)。而且，该材料中氢分子的密度超过了固态的密度（密度为86克/升）。

此外，研究团队采用了各种分析技术，包括中子散射、低温体积测量和 DFT 计算，来精确确定分子位置并了解如何在孔隙中存在如此大量的氢。

Oh 教授表示：“我们的研究成果在解决氢气存储难题方面迈出了重要一步，这是公共交通广泛采用氢燃料的关键障碍。这项研究成果为提高基于体积的存储密度提供了机会，同时还提高了氢能利用的效率和经济可行性，而目前的技术还无法实现这一目标。”

该研究成果于2月6日在线发表在国际化学领域权威期刊《Nature Chemistry》上。这项研究是科学和信息通信技术部韩国研究基金会支持的中型研究人员支持项目的一部分。

期刊参考：Hyunchul Oh, Nikolay Tumanov, Voraksmy Ban, et al., "Small-pore hydridic frameworks store densely packed hydrogen," Nature Chemistry, (2024).

（原文发表于 MIRAGE；榆镁观察编译）