一、引言 

由于传统能源带来的环境与气候问题日益严峻，发展清洁、可持续能源已成为全球共识。氢能因其能量密度高、零碳排放、来源广泛等优势，被视为未来清洁能源的重要组成。随着电解水制氢和燃料电池技术的快速发展，氢能应用前景广阔。实现其大规模利用的关键，在于安全高效的储运技术，其中固态储氢材料尤为关键，直接影响氢能系统的效率与普及可能。 镁基材料因储量丰富、成本低、储氢容量高（理论值达7.6 wt%），被认为是极具潜力的固态储氢材料。我国作为镁资源大国，具备良好的应用基础。

镁基材料储氢安全性好、热力学可控，但其吸放氢动力学慢、放氢温度高、循环稳定性差、易氧化等问题仍制约其产业化。近年来，通过纳米化、掺杂、复合结构设计等手段，镁基材料储氢性能已显著提升，为其实际应用带来了新希望。 

二、成果展示 

近期，陕西科技大学材料科学与工程学院侯小江副教授（通讯作者），硕士研究生赵多德（第一作者）及物理与信息科学学院孙东峰（通讯作者）等人针对纳米化增强镁基材料储氢性能进行了系统综述。针对纳米基体调控，纳米催化剂构筑，纳米催化机制三个方面系统分析纳米化在镁基储氢材料中的作用，为纳米化策略的优化和发展提供方向。针对镁基储氢材料纳米化的调控，结合当前研究现状，借助人工智能技术和先进表征技术的辅助分析，提出了多元微合金化富镁体系的纳米化，多元多组分纳米催化剂一体合成，多种纳米催化机制共存的观点，从而实现高效、多维、同步调控镁基材料的储氢性能。本文还对当前纳米化在镁基储氢材料领域的挑战进行了分析，并对未来的发展方向和应用前景进行了展望。 

该论文以“Nanosizing enhancement of hydrogen storage performance and mechanism in Mg-based materials: Nano-substrate modulation, nano-catalyst construction, and nano-catalytic mechanisms”为题发表在期刊Journal of Energy Chemistry上。  

三、图文导读 

如图1所示，展示了金属镁的储氢机制示意图以及纳米化在吸放氢过程中的关键作用。镁基材料的储氢性能主要受几个关键环节影响：氢气分子在表面的解离、氢原子向材料内部的扩散，以及Mg/MgH2相的形核与长大过程。氢气能否在金属表面快速解离、氢原子是否能够高效扩散至材料内部、以及MgH2的形核与长大速率是否与氢扩散相匹配，这些因素都将直接影响材料的整体储氢性能。研究表明，纳米化策略能够在多个吸氢关键步骤中发挥积极影响。通过减小颗粒尺寸，纳米化可显著提高材料的比表面积和表面能，从而增加活性位点数量，促进氢气分子在表面的吸附与解离。同时，纳米结构可提供更多氢原子扩散通道，并显著缩短其扩散路径，有利于氢原子快速渗透并均匀分布于材料内部。此外，纳米化还能有效加速MgH2的形核与生长过程，使该过程更好地与氢原子的扩散速率相匹配，从而提升吸放氢动力学性能。综上所述，纳米化不仅优化了镁基储氢材料的微观反应机制，也为提升其整体储氢性能提供了有效的结构调控策略。 

图1 金属镁的储氢机制示意图和纳米化在吸放氢过程中的作用 

如图2所示，纳米化是一种有效提升镁基储氢材料性能的策略，主要通过增加材料的比表面积、降低反应能垒以及反应焓变来实现。这些变化显著改善了材料的吸放氢动力学和热力学特性，从而赋予其更优异的储氢性能。常见的纳米化方法包括机械球磨法、熔体快淬法、磁控溅射法以及纳米限域法等。这些方法能够有效调控材料的微观结构与晶粒尺寸，在纳米尺度上优化储氢反应路径，进一步提升镁基材料在实际应用中的潜力。  

图2 (a) 纳米化理论：(a1) 微观结构变化，(a2) 动力学变化，(a3) 热力学变化。(b) 纳米化策略：(b1) 机械球磨法，(b2) 熔体快淬法，(b3) 磁控溅射法，(b4) 纳米限域法 

如图3所示，多元微合金化富镁体系在储氢材料研究领域展现出广阔前景。大量研究表明，该类体系在保持镁基材料高储氢容量优势的同时，还能显著改善其吸放氢动力学和热力学性能。通过合理选择合金元素并进行有针对性的成分设计，可以有效调控材料的微观结构与相变行为，满足不同应用场景下的性能需求。 值得注意的是，尽管并非所有富镁合金体系本身即为纳米材料，但在合金化过程中，元素间的复杂相互作用以及外部条件（如热处理、球磨等）的干预，往往能够诱导生成多种纳米析出相。这些原位形成的纳米相可在材料中发挥类似纳米化的效应，进一步促进氢扩散动力学并优化热力学稳定性，从而提升整体储氢性能。这一现象也为开发新型高性能镁基储氢材料提供了新的思路和方法。  

图3 多元富镁体系的相关研究进展 

如图4所示，多元多组分纳米催化剂在镁基储氢材料中的应用取得了显著的研究进展。研究表明，通过将单一组分催化剂进行负载、复合、包覆以及实施缺陷工程等手段，可以将其转化为多元多组分催化剂体系。这种转变不仅能够增强催化剂的活性和稳定性，还能利用不同元素之间的协同效应，大幅提高催化效率。在镁基储氢材料中使用多元多组分纳米催化剂，可以通过优化催化剂颗粒的大小、形态和表面特性，进一步促进氢气的吸附与解吸过程。此外，元素间的相互作用及所形成的特殊结构，有助于形成更多的活性位点，从而加快反应速率并降低活化能。这些改进对于提升镁基材料的储氢性能至关重要，并为开发高效、实用的储氢系统提供了新的方向和技术路线。同时，该研究还提示我们，通过精确控制催化剂的设计与合成，可以实现对储氢材料性能的有效调控，满足不同应用场景下的需求。  

图4 多元多组分纳米催化剂在镁基储氢材料中的研究进展 

图5展示了多元单相催化剂在镁基储氢材料中的催化研究进展。为了更精确地控制元素组成及其在材料中的均匀分布，并有效利用不同元素间的协同增强机制，研究人员通过制备多元单相催化剂来达成这些目标。这种策略不仅有助于提升催化剂的活性、稳定性和选择性，还能显著改善储氢材料的动力学和热力学性能。 常见的多元单相催化剂包括但不限于双金属氧化物、双金属MXene材料、中熵合金以及高熵合金等。每种类型的催化剂都有其独特的结构特点和催化性能优势。例如，双金属氧化物和MXene材料能够提供丰富的表面活性位点，促进氢分子的解离吸附；而中熵和高熵合金则因其特殊的原子排列方式和优异的物理化学性质，在提高反应速率和降低活化能方面表现出色。  

图5 多元单相催化剂在镁基储氢材料中的催化研究进展 

图6展示了在若干研究工作中镁基储氢材料的储氢机理示意图。从催化机制的角度来看，主要涵盖了自催化机制、表面催化机制以及衍生催化机制这三大类。在镁基储氢材料中，多种催化机理往往共存并相互作用，如表面活性位点解离、氢溢流效应、缺陷介导的扩散通道及界面协同催化等。这些机制共同作用，实现了显著的协同增效。具体而言，在氢吸附阶段，表面活性位点提供了高效的吸附位置；解离过程中，特定的催化位点促进氢分子的裂解；而在扩散与脱附阶段，氢溢流效应和缺陷介导的扩散通道则加快了氢原子的迁移速率，优化了反应路径。此外，不同催化机制间的互补效应还拓宽了材料对温度、压力等操作条件的适应性范围，增强了储氢系统的环境适应性和稳定性。这种多机制联动不仅大幅提升了储氢材料的动力学性能和循环稳定性，也为设计高效且耐用的复合储氢体系提供了坚实的理论基础和技术指导。通过深入理解这些复杂催化机制及其相互作用，研究人员能够更加精准地调控材料结构，优化其储氢性能，从而推动镁基储氢材料向更广泛的商业化应用迈进。  

图6 镁基储氢材料的储氢机理示意图 

如图7所示，氢能源系统展现了广阔的发展前景，特别是在固态储氢材料的设计与制备方面。结合氢能的高效制备和多样化应用场景，开发高性能固态储氢材料至关重要。未来研究应充分利用人工智能、理论计算和建模分析等工具，优化催化剂成分和结构设计，从而提升镁基储氢材料的性能。采用高效节能的方法制备这些材料和催化剂，例如绿色化学合成和低能耗工艺，不仅能降低成本和环境影响，还能提高材料的储氢能力和循环稳定性。通过整合先进技术与创新设计理念，我们可以推动固态储氢材料的发展，促进氢能源系统的构建，并助力全球向低碳经济转型。

图7 氢能源系统的发展前景及固态储氢材料设计和制备的展望 

四、总结与展望 

在现有研究的基础上，本文系统探讨了纳米化在镁基复合材料中的关键作用。我们从基体材料设计、催化剂构建及催化机理分析等方面，全面评估了纳米化策略的优势与局限性，为未来研究提供方向性启示： （1）基体材料的纳米化调控：通过设计多组分微合金化的富镁体系，充分发挥镁基复合材料高储氢能力的优势，同时优化其热力学与动力学性能。 （2）纳米催化剂的构建：探索多组分纳米催化剂的综合合成方法，利用不同元素间的协同效应，最大程度地提升催化效率与稳定性。 （3）纳米催化机制的研究：推动自催化、表面催化和衍生催化机制的协同作用，实现多种催化机制并存，从而有效调控材料结构，优化氢分子（H2）和氢原子（H）向材料内部的扩散过程，并调节Mg/MgH2的成核与生长行为。 最终目标是在较为温和的操作条件下，高效且同步地调控镁基材料的储氢性能，从而加速其在实际应用中的商业化进程。