MXene负载V2 O5 纳米催化剂协同提升MgH2 储氢效率的机制研究

针对MgH2 储氢材料动力学性能差、热力学稳定性高的问题，研究人员通过湿化学法合成V2 O5 @Ti3 C2 功能化MXene复合材料，显著降低MgH2 的起始脱氢温度（187°C）和活化能（57.2 kJ/mol），并实现室温下3.9 wt%的快速吸氢及98.2%的循环稳定性。该研究为设计高效MXene基储氢催化剂提供了新思路。

　　

论文解读

在全球环境污染日益严峻的背景下，氢能作为清洁能源备受关注，但其储存与运输仍是瓶颈。镁基储氢材料（MgH₂
）虽具有7.6 wt%的高储氢容量，但缓慢的吸放氢动力学和稳定的热力学性质限制了实际应用。传统过渡金属催化剂（如V、Ti等）虽能改善性能，但单一组分催化效果有限。MXene（如Ti₃
C₂
）作为新兴二维材料，因其大比表面积和层状结构在储氢领域展现出潜力，如何通过多组分协同催化进一步提升MgH₂
性能成为研究热点。

针对上述问题，广西铝工业绿色制造重点实验室等机构的研究人员创新性地将V₂
O₅
纳米颗粒负载于Ti₃
C₂
MXene上，构建V₂
O₅
@Ti₃
C₂
复合材料，系统探究其对MgH₂
储氢性能的协同增强机制。研究发现，该催化剂使MgH₂
的起始脱氢温度降低119°C，活化能减少69.6 kJ/mol，并实现室温快速吸氢和近乎完美的循环稳定性。相关成果发表于《Journal of Energy Storage》，为设计高效MXene基储氢催化剂提供了理论依据。

关键技术方法

研究采用湿化学法（静电吸附）在Ti₃
C₂
表面原位生长V₂
O₅
，通过球磨与MgH₂
复合。利用X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）分析材料结构及价态变化，结合程序升温脱附（TPD）和等温吸放氢测试评估动力学性能。

研究结果

1. 材料合成与表征
通过HCl/LiF溶液蚀刻Ti₃
AlC₂
获得Ti₃
C₂
MXene，其（002）晶面特征峰（2θ=7.4°）证实层状结构成功制备。V₂
O₅
均匀分布在MXene表面，形成紧密界面接触。

2. 催化性能提升
V₂
O₅
@Ti₃
C₂
催化体系使MgH₂
起始脱氢温度降至187°C，活化能仅为57.2 kJ/mol。室温下60分钟内吸氢量达3.9 wt%，30次循环后容量保持率98.2%，显著优于纯MgH₂
和单一催化剂体系。

3. 协同机制解析
球磨过程中V₂
O₅
和Ti₃
C₂
部分转化为多价态（V⁰
/V⁴⁺
、Ti³⁺
/Ti⁴⁺
）。金属态钒（V⁰
）通过削弱Mg-H键能促进脱氢；多价氧化物作为电子转移中间体加速Mg/MgH₂
转化；MXene的层状结构抑制催化剂团聚，保障循环稳定性。

结论与意义

该研究证实V₂
O₅
@Ti₃
C₂
通过组分间电子转移、界面反应和结构稳定性的三重协同效应，突破MgH₂
储氢性能瓶颈。不仅为MXene基功能材料设计提供新范式，更推动镁基储氢材料的实用化进程，对氢能产业链发展具有重要战略意义。