基于Arrhenius公式的MgH2程序升温脱附预测模型构建与催化改性机制研究

本研究针对镁基储氢材料MgH2脱附温度高、动力学缓慢的瓶颈问题，通过构建基于Arrhenius公式的TPD预测模型，结合DFT计算和实验数据校准，系统评估了Fe、Nb、TiFe等添加剂对脱附活化能的影响。模型成功预测了MgFe0.25H2（R2=0.9908）等体系的脱附行为，为高效储氢材料设计提供了理论工具，显著减少实验试错成本。

　　

氢能作为清洁能源载体面临存储技术瓶颈，其中镁氢化物(MgH₂)虽具7.6wt%高储氢容量，却因>300°C的高脱附温度和缓慢动力学制约应用。传统实验筛选添加剂耗时耗资，而现有理论模型预测精度不足。针对这一挑战，研究人员通过融合密度泛函理论(DFT)计算与实验数据校准，开发出高精度程序升温脱附(TPD)预测模型。

研究采用量子力学计算软件Quantum Espresso进行DFT模拟，选用PBE-GGA泛函和超软赝势，对MgH₂及掺杂体系（MgFe_0.25H₂、MgH₂-7wt%Nb等）构建5×2×1等超胞模型计算脱附活化能。基于Arrhenius方程构建预测模型时，创新引入温度校正因子C₂和指数前因子K₀的精细校准机制，通过4个典型案例验证模型可靠性。

【3.1 脱附活化能】
DFT计算显示掺杂显著降低活化能：MgFe_0.25H₂为116.9 kJ/mol（实验值127.7 kJ/mol），MgH₂-7wt%Nb仅78.1 kJ/mol（实验值90.04±2.83 kJ/mol），证实Fe、Nb等过渡金属的催化作用。

【3.2-3.5 案例研究】
模型在4个体系中均展现优异预测性能：MgFe_0.25H₂的R²达0.9908，MAE仅0.0918；对MgH₂本体的预测虽活化能偏差18.1 kJ/mol，但通过温度校正后R²仍保持0.9497。特别值得注意的是，模型成功捕捉到10wt% TiFe掺杂使脱附峰温降低70°C的实验现象。

该研究通过建立"DFT计算-参数校准-实验验证"的研究范式，证实预测模型可准确模拟不同催化体系下的TPD曲线。模型创新性地采用能量依赖的温度校正机制（每增加10 kJ/mol活化能，C₂降低6.5°C），解决了DFT计算值系统性偏低的问题。这项工作不仅为储氢材料开发节省大量实验成本，其建模思路还可拓展至其他金属氢化物体系，对推动氢能产业化具有重要方法论价值。论文发表于《Fuel》期刊，为能源材料计算模拟领域提供了示范性案例。