TiVCrFeNi高熵合金催化MgH2储氢性能的协同优化机制与动力学增强研究

本研究发现TiVCrFeNi高熵合金（HEA）通过多价态过渡金属元素的"鸡尾酒效应"（cocktail effect）显著优化MgH2的吸放氢路径。添加5 wt.% HEA的复合材料使脱氢活化能降低42.4%（71.49 kJ/mol H2），初始放氢温度降至455 K，为高容量镁基储氢材料（7.6 wt.%）的实用化提供了新策略。

　　

亮点

TiVCrFeNi高熵合金（HEA）催化剂通过面心立方（FCC）相结构对MgH₂储氢性能产生显著催化作用。多价态过渡金属元素的协同效应产生"鸡尾酒"效应，有效优化MgH₂的吸放氢反应路径。其中MgH₂-5 wt.% TiVCrFeNi复合材料展现出最佳综合储氢性能：脱氢活化能显著降低至71.49 kJ/mol H₂（降幅42.4%），初始放氢温度降至455 K（降低80 K）。

引言

在全球能源格局深刻变革的背景下，氢能因其燃烧产物仅为水且能量密度高，成为能源转型的关键力量。然而氢能经济发展高度依赖高效安全储运技术的突破。在众多储氢方式中，固态储氢技术通过固体材料特性以稳定形式储存氢气，相比气态和液态储氢具有安全性、能耗和设备要求方面的优势，无需高压或低温条件，为氢能长距离运输和大规模存储提供可行解决方案。

MgH₂因其卓越的理论储氢容量（7.6 wt.%）、低开采成本和高性价比获得广泛关注。但其高热力学稳定性导致有效脱氢温度远高于实用目标，低温下缓慢的动力学性能难以满足实际吸放氢速率要求，这些技术瓶颈严重限制其实际应用进程。

为充分发挥MgH₂作为实用储氢载体的巨大应用潜力，研究人员致力于探索创新材料工程方法调控其微观结构和反应机制。传统方法如纳米化缩短扩散路径、引入晶界和缺陷以及合金化改变热力学性质已取得有效成果，但最具针对性且高效的途径是催化剂的引入和优化。

过渡金属凭借其部分填充的d电子轨道展现出卓越的电子转移能力，这些轨道能有效弱化Mg-H键并促进氢原子复合与解离。研究表明过渡金属及其合金体系可通过表面重构效应有效催化MgH₂储氢反应，但实现MgH₂实际应用仍需开发更高效改性策略。

高熵合金以其独特的"鸡尾酒效应"为催化剂设计提供新范式，这种包含五种及以上主元且各元素近等摩尔比的多组元固溶体，凭借显著晶格畸变效应和组元复杂性展现出突破性催化材料设计潜力。最新研究表明这些材料在催化MgH₂方面具有显著性能优势，其中Cr-Fe-Ni基高熵合金展现出特别突出的催化性能。

基于这些发现，本研究通过在合金体系中引入Ti和V元素增强MgH₂吸放氢动力学，采用低成本粉末冶金工艺制备具有FCC结构的TiVCrFeNi HEA催化剂，并通过高能球磨与MgH₂机械混合。实验结果表明MgH₂/TiVCrFeNi复合材料的吸放氢动力学性能显著增强，结合微观结构表征详细分析了TiVCrFeNi在该复合材料中的催化性能，为高活性MgH₂储氢催化剂的未来发展提供新见解。

结论

本研究采用低成本粉末冶金工艺成功制备具有面心立方（FCC）结构的TiVCrFeNi高熵合金，并将其与MgH₂结合优化储氢性能。TiVCrFeNi HEA独特的高熵效应、"鸡尾酒"效应和晶格畸变效应协同作用，显著降低体系内反应能垒。具体而言，复合材料的氢解吸活化能显著降低，初始放氢温度显著下降，吸氢动力学性能也得到显著改善。