Ni3 B/石墨烯协同催化共晶LiBH4 -KBH4 体系实现高效可逆储氢

针对固态储氢材料LiBH4 脱氢温度高、动力学差等问题，研究人员通过设计Ni3 B/石墨烯(Ni3 B/G)层状复合催化剂，构建限域共晶LiBH4 -KBH4 体系，将主脱氢峰温度降低至278°C，50次循环后容量保持率达81.2%。该研究为高容量硼氢化物储氢系统提供了新设计思路。

　　

氢能作为清洁能源载体，其高效储存一直是能源领域的重大挑战。金属硼氢化物如LiBH₄
虽具有高达18.5 wt%的理论储氢容量，但存在脱氢温度高（>400°C）、可逆性差等瓶颈问题。近年来，通过构建共晶体系（如LiBH₄
-KBH₄
）虽能降低熔点至105°C，但脱氢温度仍难以满足实际应用需求。传统纳米限域策略虽能改善性能，但存在载体负载量低（<60 wt%）、循环寿命短等缺陷。

浙江大学材料科学与工程学院的研究团队在《Materials Today Catalysis》发表研究，创新性地将超细Ni₃
B纳米颗粒（~15 nm）负载于石墨烯上构建复合催化剂（Ni₃
B/G），通过熔融渗透法在110°C下形成石墨烯-Ni₃
B与Li/KBH₄
交替的层状结构。该设计巧妙融合了纳米限域、催化协同和高效热传导三大优势：石墨烯层不仅限制Li/KBH₄
的尺寸并防止Ni₃
B团聚，其超高热导率（~2000 W·m^-1
·K^-1
）还加速了反应传热；而Ni₃
B通过电子转移 destabilize [BH₄
]^-
结构，显著降低反应能垒。

研究采用X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征材料结构，通过定容法测试储氢性能，结合Kissinger方程计算活化能，并利用密度泛函理论（DFT）分析电子转移机制。

3.1 材料结构与形貌
通过原位还原法合成的Ni₃
B/G复合材料中，Ni₃
B纳米颗粒均匀分散在石墨烯表面（图1）。XRD显示Li/KBH₄
@(20Ni₃
B/G)体系保持LiK(BH₄
)₂
主相，TEM证实加热后形成交替层状结构（图3），EDS图谱显示Ni/B元素重叠分布，证实催化剂高度分散。

3.2 储氢性能突破
TPD-MS测试表明（图4a），20Ni₃
B/G使体系主脱氢峰温度降至278°C，较原始Li/KBH₄
降低173°C。等温脱氢实验显示，350°C下30分钟即可释放8.5 wt% H₂
（图5a），活化能降低42%至102 kJ·mol^-1
（图5b）。50次循环后容量保持81.2%（图6），远超同类体系（通常<70%）。对比实验证实，单独使用石墨烯或Ni₃
B效果有限，凸显协同效应的重要性。

3.3 机制解析
XPS和FTIR追踪循环过程（图7-8）发现：脱氢产物为LiH和K，再氢化时再生LiBH₄
/KBH₄
而非LiK(BH₄
)₂
。DFT计算揭示（图10），Ni₃
B(121)晶面与[BH₄
]^-
存在强电荷转移（Bader电荷达-0.341|e|），削弱B-H键稳定性。此外，石墨烯使体系热导率提升3.8-7.1倍，加速热量传递。

这项研究通过"限域-催化-传热"三位一体策略，创制出脱氢温度<300°C、容量>8 wt%、循环稳定的新型硼氢化物储氢系统。其创新点在于：①首次将Ni₃
B/G用于共晶硼氢化物体系；②阐明Ni⁺
电子转移催化机制；③实现80 wt%高载体负载量。该成果为开发实用化储氢材料提供了新范式，相关设计理念可拓展至其他高容量复合氢化物体系。