本文聚焦二維材料在MgH2儲(chǔ)氫體系中的改性研究，系統(tǒng)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(qiáng)MgH2吸/放氫性能方面的研究進(jìn)展與作用機(jī)制，剖析了當(dāng)前二維催化劑中存在的問題，對(duì)其發(fā)展進(jìn)行了展望，為突破鎂基儲(chǔ)氫材料實(shí)用化壁壘提供了理論參考。

在能源轉(zhuǎn)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(yù)為替代化石燃料的理想選擇。然而，氫能產(chǎn)業(yè)化面臨一個(gè)“卡脖子”難題：如何安全、高效、低成本地儲(chǔ)存和運(yùn)輸氫氣？

傳統(tǒng)的儲(chǔ)氫方式各有短板——高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫如同給氣球打氣打到數(shù)百倍大氣壓，成本高且存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)；低溫液態(tài)儲(chǔ)氫則需將氫氣冷卻至零下253℃，能耗驚人。

固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)異軍突起，通過物理吸附或化學(xué)反應(yīng)將氫氣“鎖”在固體材料中，儲(chǔ)氫密度可達(dá)傳統(tǒng)方式的數(shù)倍，且安全可靠，成為破解儲(chǔ)氫困局的關(guān)鍵突破口。

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

然而，氫化鎂的大規(guī)模應(yīng)用卻遭遇三大“攔路虎”：

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

動(dòng)力學(xué)瓶頸——緩慢的動(dòng)力學(xué)速率（反應(yīng)活化能Ea=145.08 kJ/mol）導(dǎo)致其吸/放氫過程往往需要耗費(fèi)相對(duì)較長的時(shí)間；

循環(huán)退化——過程中不可避免的團(tuán)聚與生長最終造成儲(chǔ)氫性能的衰退與儲(chǔ)氫容量緩慢的動(dòng)力學(xué)速率（反應(yīng)活化能Ea=145.08 kJ/mol）導(dǎo)致其吸/放氫過程往往需要耗費(fèi)相對(duì)較長的時(shí)間的損失。

如何攻克這三大難題？科學(xué)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(chǔ)氫性能：

石墨烯家族——石墨烯及其衍生物憑借高導(dǎo)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(xiàn)出獨(dú)特的催化活性，其豐富的表面缺陷成為氫分子解離的“熱點(diǎn)”。

MXenes——由過渡金屬碳/氮化物構(gòu)成，兼具金屬導(dǎo)電性和親水性表面，在催化氫化鎂吸放氫方面表現(xiàn)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(chǔ)氫性能優(yōu)化提供了豐富的工具箱。

總結(jié)與展望

(1) 二維非金屬基材料的催化效果主要?dú)w因于獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)為Mg/MgH2提供了豐富的成核和生長中心，為H原子擴(kuò)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(tuán)聚與生長。而對(duì)于二維過渡金屬基催化材料，活性物質(zhì)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(shí)上，二維材料的微觀結(jié)構(gòu)與其催化活性之間的具體關(guān)系尚不清晰，許多內(nèi)在因素仍需進(jìn)一步探索。將來應(yīng)通過原位表征系統(tǒng)或其它高等光譜學(xué)手段對(duì)復(fù)合材料在吸/放氫過程中精細(xì)結(jié)構(gòu)的演變進(jìn)行進(jìn)一步的觀測與研究，從而為催化機(jī)理提供確鑿的證據(jù)。

(2)利用二維材料作為催化劑載體時(shí)，其表面化學(xué)性質(zhì)、電子結(jié)構(gòu)以及與與負(fù)載活性組分的界面耦合效應(yīng)等對(duì)降低復(fù)合儲(chǔ)氫體系的操作溫度、加快吸/放氫動(dòng)力學(xué)速率以及改善鎂儲(chǔ)氫的循環(huán)穩(wěn)定性將產(chǎn)生顯著的影響。因此，如何通過表面修飾、異質(zhì)原子摻雜或界面工程策略定向優(yōu)化其表面化學(xué)與電子結(jié)構(gòu)，構(gòu)建兼具高催化活性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的復(fù)合催化劑體系，實(shí)現(xiàn)MgH2儲(chǔ)氫性能的全面調(diào)控還需要進(jìn)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(chǔ)氫體系限制在二維材料的納米孔道內(nèi)，結(jié)合過渡金屬對(duì)吸/放氫反應(yīng)的催化作用與二維載體對(duì)Mg/MgH2粒徑的調(diào)控，使催化技術(shù)與納米工程有機(jī)結(jié)合，是實(shí)現(xiàn)復(fù)合儲(chǔ)氫體系熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)協(xié)同改進(jìn)的有效策略。然而，如何在保持高催化活性的同時(shí)降低支架材料的引入所帶來的儲(chǔ)氫容量的損失，是未來研究者們需要持續(xù)關(guān)注且解決的難題。

文章信息

劉芳, 王佳麗, 陳偉, 嚴(yán)雄仲, 張曉英, 田甜, 信翔宇, 劉光, 宋宇飛. 二維材料在鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)展. 科學(xué)通報(bào), 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

《科學(xué)通報(bào)》是中國科學(xué)院主管、中國科學(xué)院和國家自然科學(xué)基金委員會(huì)共同主辦的綜合性中文學(xué)術(shù)期刊，致力于快速報(bào)道自然科學(xué)各學(xué)科基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研究的最新研究動(dòng)態(tài)、消息、進(jìn)展, 點(diǎn)評(píng)研究動(dòng)態(tài)和學(xué)科發(fā)展趨勢。

• 旬刊，每10天出版1期；

• 欄目：進(jìn)展、評(píng)述、快訊、論文、觀點(diǎn)、科技前沿、科學(xué)訪談、亮點(diǎn)述評(píng)、悅讀科學(xué)等；

• 中國科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心分區(qū)表綜合性大類1區(qū)TOP期刊；

• 中國科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃領(lǐng)軍期刊；

• 《中國科技論文與引文數(shù)據(jù)庫》和《中國科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫》的源期刊，同時(shí)被EI、ESCI和Scopus等收錄；

• 期刊官網(wǎng)：http://csb.scichina.com.

轉(zhuǎn)載、投稿請(qǐng)留言

| 關(guān)注科學(xué)通報(bào) | 了解科學(xué)前沿