三维蜂窝状Fe/N-MXene催化剂对MgH2储氢性能的影响机制研究

本研究针对镁基储氢材料MgH2热稳定性高、吸放氢动力学差的问题，通过构建三维蜂窝状Fe/N-MXene复合催化剂，将MgH2初始脱氢温度降低至198°C，吸/脱氢活化能分别降低50.9 kJ mol?1和68.1 kJ mol?1，100°C下20分钟吸氢量达5.14 wt%。该研究为开发高效镁基储氢材料提供了新策略。

　　

氢能因其清洁环保特性被视为未来能源的重要选择，而镁基储氢材料（MgH₂）因其高储氢密度（7.6 wt%）成为研究热点。然而，MgH₂的高热稳定性和缓慢的吸放氢动力学严重限制了其实际应用。尽管通过合金化、纳米化和添加催化剂等方法可改善其性能，但如何进一步降低操作温度、提高反应速率仍是巨大挑战。过渡金属（如Fe）和二维材料MXene（如Ti₃C₂）虽各自展现出催化潜力，但单一组分的作用有限。因此，开发多组分协同催化体系成为突破方向。

为解决这一问题，中国的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，创新性地将Fe与氮掺杂MXene（N-MXene）复合，构建三维蜂窝状Fe/N-MXene催化剂，显著提升了MgH₂的储氢性能。研究采用化学合成与球磨技术相结合的方法：首先以甲醛-三聚氰胺为牺牲模板制备蜂窝状N-MXene，再与普鲁士蓝（PB）微管退火获得Fe/N-MXene复合物，最后通过球磨将其与MgH₂复合。

研究结果

1. 催化剂表征：SEM显示PB微管呈立方体结构（约1 μm），而N-MXene呈现独特的蜂窝状形貌，有效防止二维片层堆叠。XRD证实Fe/N-MXene中成功引入Fe₄[Fe(CN)₆]₃和Ti₃C₂相。
2. 储氢性能：MgH₂+Fe/N-MXene的初始脱氢温度降至198°C，较纯MgH₂（310°C）降低112°C；吸氢活化能降低50.9 kJ mol^?1，脱氢活化能降低68.1 kJ mol^?1。在100°C下20分钟吸氢量达5.14 wt%，优于多数报道的MgH₂基复合材料。
3. 机制分析：Fe的引入延长了Mg-H键长并削弱键能，而蜂窝状N-MXene提供更多氢原子吸附位点。二者协同作用加速氢扩散与相变动力学。

结论与意义
该研究通过多组分催化策略，实现了MgH₂储氢性能的显著提升。Fe/N-MXene的三维结构和高活性界面不仅降低反应能垒，还增强了循环稳定性。这一成果为设计高效、低成本的镁基储氢材料提供了新思路，对推动氢能产业化具有重要价值。研究团队特别指出，未来可进一步优化Fe负载量与MXene的掺杂类型，以探索更广泛的催化组合。

（注：全文基于Sizhi Ding等作者的原作，技术细节与数据均引自原文，未添加非文献支持内容。）