研究称镁仍有潜力成为高效的储氢材料

人们很容易对氢作为一种理想燃料感到乐观。为一个绝对根本的问题找到解决方案要困难得多：如何有效地储存这种燃料?一个由实验和理论物理学家组成的瑞士-波兰团队找到了以下问题的答案：为什么之前使用有前途的氢化镁用于此目的的尝试被证明不令人满意，以及为什么他们将来可能会成功。

氢长期以来一直被视为未来的能源载体。然而，在它在能源领域成为现实之前，必须开发有效的存储方法。材料的选择方式使得氢能以较低的能源成本注入其中，然后根据需要回收，最好是在类似于我们日常环境的典型条件下，这似乎是最佳解决方案。

镁似乎是储氢的一个有前途的候选者。然而，将其转化为氢化镁需要适当有效的催化剂，但目前尚未发现。

来自 Empa(位于迪本多夫的瑞士联邦材料科学与技术实验室、苏黎世大学化学系以及波兰科学院核物理研究所 (IFJ PAN))的科学家团队的工作克拉科夫的研究表明，迄今为止多年来失败的原因在于对氢注入过程中镁中发生的现象的不完全理解。

氢作为能源的主要障碍是难以储存。在仍然罕见的氢动力汽车中，它被压缩存储在大约 700 个大气压的压力下。这既不是最便宜也不是最安全的方法，而且与效率关系不大：一立方米中仅含有 45 公斤氢气。如果事先冷凝，相同体积可容纳 70 公斤氢气。

不幸的是，液化过程需要大量能量，并且在整个存储过程中必须保持 20 开尔文左右的极低温度。替代方案可能是合适的材料;例如氢化镁，每立方米最多可容纳106公斤氢气。

氢化镁是储氢能力测试中最简单的材料之一。其含量可达7.6%(重量)。因此，氢化镁装置相当重，因此主要适用于固定应用。但需要注意的是，氢化镁是一种非常安全的物质，可以毫无风险地储存;例如，在地下室，镁本身是一种容易获得且廉价的金属。

理论物理学家Zbigniew Lodziana 教授 (IFJ PAN) 表示：“关于将氢掺入镁的研究已经进行了数十年，但尚未产生可信赖的更广泛应用的解决方案。”发表在《高级科学》上的文章，其中介绍了最新的发现。

“问题的根源之一是氢本身。这种元素可以有效地穿透镁的晶体结构，但前提是它以单原子的形式存在。要从典型的分子氢中获得它，一种足够有效的催化剂，可以使氢在材料中的迁移需要快速且能量可行。因此每个人都在寻找满足上述条件的催化剂，不幸的是没有取得太大成功。今天，我们终于知道为什么这些尝试注定要失败。”

Lodziana 教授开发了镁与氢原子接触时发生的热力学和电子过程的新模型。该模型预测，在氢原子迁移过程中，材料中会形成局部热力学稳定的氢化镁簇。在金属镁与其氢化物之间的边界处，材料的电子结构发生变化，正是这些变化对降低氢离子的迁移率具有重要作用。

换句话说，氢化镁形成的动力学主要由其与镁界面的现象决定。迄今为止，在寻找有效催化剂时尚未考虑到这种效应。

Lodziana 教授的理论工作补充了瑞士迪本多夫实验室进行的实验。在这里，在超高真空室中研究了溅射到钯上的纯镁层中原子氢的迁移。该测量装置能够记录所研究样品的几个外原子层状态的变化，这些变化是由新化合物的形成以及材料电子结构的相关转变引起的。IFJ PAN的研究人员提出的模型让我们能够充分理解实验结果。

瑞士-波兰物理学家小组的成就不仅为寻找最佳氢化镁催化剂铺平了道路，而且还解释了为什么之前发现的一些催化剂表现出比预期更高的效率。

“有很多证据表明，镁及其化合物在储氢方面缺乏重大进展，仅仅是因为我们对这些材料中氢传输过程的不完全了解。几十年来，我们一直在寻找更好的催化剂， “只是不是我们应该关注的地方。现在，新的理论和实验结果使人们有可能再次乐观地思考进一步改进将氢引入镁的方法，”Lodziana 教授总结道。