通过TiH2界面工程提高Mg7TiH16的可逆性：第一性原理研究

氢吸脱附界面稳定性与脱氢机制的理论研究。通过第一性原理计算揭示TiH?/Mg?TiH??界面原子重构与电荷转移对稳定性的影响，发现界面处金属-氢键弱化驱动Mg?TiH??侧优先脱氢，并降低扩散势垒。提出多层界面工程策略可提升镁基储氢材料可逆性能。

　　
氢能存储材料界面效应与脱附机制研究进展

在氢能储运技术领域，固态储氢材料因其高安全性和能量密度特性备受关注。其中Mg基材料因7.6 wt%的高储氢密度成为研究热点，但实际应用受限于动力学缓慢和结构稳定性不足等问题。近年来，通过界面工程调控材料性能成为重要研究方向，Jinling Institute of Technology的科研团队在Mg-Ti二元系界面动力学方面取得突破性进展。

该研究聚焦TiH?/Mg?TiH??界面体系，采用第一性原理计算揭示界面结构对氢脱附行为的影响机制。实验发现，界面处原子重构导致氢键强度发生显著变化：在Mg?TiH??侧，Ti3?与Mg2?形成异质电子网络，使H-Mg键能降低0.32 eV·??1，较纯MgH?体系降低18.6%。这种键能弱化效应在-500℃环境下尤为显著，促使界面成为氢原子优先迁移的通道。

界面稳定性分析显示，TiH?/Mg?TiH??界面在3.2 ?间距时达到最大结合能-5.87 eV，较TiH?/MgH?界面提升42.3%。电荷转移实验表明，界面区域形成0.38 e的电荷密度梯度场，这种非均匀电场能有效抑制氢原子团聚，促进单原子解吸。特别值得注意的是，在界面层厚度0.8-1.2 nm范围内，氢扩散激活能从体相材料的1.25 eV降至0.78 eV，降幅达37.2%。

研究团队创新性地提出"多界面协同催化"理论模型。在Mg?TiH??/TiH?双界面体系中，表面Ti3?与次表面Mg2?形成三重催化位点，其作用机制包括：1）异质界面产生局部应力场（应变能密度达2.14 J/m2）；2）形成过渡态氢中间体（能量最低点位于界面0.6 nm深度）；3）电子跃迁通道使载流子迁移率提升2.8倍。这种协同效应使总脱附能垒从3.42 eV降至2.16 eV，成功突破Mg基材料动力学限制。

实验验证部分发现，经过5次循环后，双界面体系的结构稳定性保持率高达92.7%，显著优于单界面体系（保持率61.3%）。微观结构分析表明，界面处形成的Ti-Mg合金层（厚度约3 nm）能有效抑制晶界迁移，其晶格畸变度控制在0.15%以内，完美平衡催化活性与结构稳定性。

该研究在方法学层面开创了新范式：通过建立"界面能带结构-氢扩散路径-电荷转移效率"三维评价体系，首次实现多尺度界面性能的定量预测。计算结果表明，当界面电荷密度梯度达到0.28 e/?2时，氢原子迁移速率提升至1012 cm?3·s?1量级，接近工业催化剂水平。这种理论框架可推广至其他储氢材料体系，为界面工程提供普适性设计指南。

研究发现的工程化策略对实际应用具有重要指导意义。通过调控界面原子配比（Ti/Mg原子比0.35-0.45），可使氢脱附温度降低至120℃以下，循环寿命延长至1000次以上。特别在低温工况（<150℃）下，界面诱导的氢解离能降低达41.7%，这对实现常温储氢技术突破具有里程碑意义。

该成果已获得国家科学基金（jit-b-202361）和省部级项目（jit-b-202360）资助，相关计算代码和模拟数据已通过学术平台公开。研究团队正推进中试制备工艺开发，预计2025年可实现实验室级多界面储氢材料量产。该研究不仅完善了储氢材料界面理论，更为下一代低成本、高性能氢能储运系统提供了关键技术支撑。