原位氢解工程化Tix C MXenes协同增强镁基储氢性能的机制研究

针对镁基储氢材料MgH2 热力学稳定性差、吸放氢动力学缓慢的难题，中国研究人员通过密度泛函理论(DFT)计算与实验验证，揭示了Tix C MXenes在氢驱动下自发重构为石墨烯状碳层和Ti活性物种的协同催化机制。该研究使MgH2 @Ti2 C的脱氢温度从360°C降至290°C，容量保持率提升至97%，为设计高效固态储氢材料提供了新思路。

　　

随着全球能源危机与气候变化加剧，氢能因其能量密度高（142 MJ/kg）、零碳排放等优势成为最具潜力的清洁能源载体。然而，氢气储存始终是制约其规模化应用的瓶颈——气态存储需高压容器（35-70 MPa），液态存储需超低温（-253°C），而固态储氢材料中，镁氢化物（MgH₂
）虽具理论储氢容量7.6 wt%、原料成本低廉（约25元/kg）等优势，却因Mg-H键强过高（ΔH=-75 kJ/mol H₂
）导致脱氢温度超过300°C，且动力学缓慢。尽管过渡金属催化剂（如Ti、Nb）能通过电子转移削弱Mg-H键，但传统研究多聚焦金属活性中心，忽视了碳组分的结构调控作用。

针对这一科学盲区，中国科学技术大学等机构的研究团队在《Journal of Colloid and Interface Science》发表论文，首次阐明Ti_x
C MXenes在镁基储氢体系中的双功能机制。通过密度泛函理论（DFT）计算预测结合40 bar H₂
氛围下的机械球 milling实验，发现氢诱导的Ti_x
C结构重构会自发形成石墨烯状碳层包裹MgH₂
颗粒，同时释放Ti活性物种。这种"碳笼限域+金属催化"的协同效应使MgH₂
@Ti₂
C脱氢起始温度降低70°C，容量保持率从62%跃升至97%，突破了传统催化剂单一作用的局限。

关键技术方法
研究采用DFT计算构建MgH₂
@Ti₂
C/Ti₃
C₂
界面模型，计算氢吸附能（E_ads
）；通过40 bar H₂
氛围下的高能球 milling（球料比40:1）制备Ti_x
C掺杂MgH₂
复合材料；结合X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）表征结构演变，通过程序升温脱附（TPD）测试储氢性能。

研究结果

1. 理论预测Ti_x
C氢解行为
DFT计算显示Ti₂
C表面氢吸附能（-2.31 eV）显著低于Ti₃
C₂
（-1.87 eV），预示其更易发生氢驱动结构解离。电子局域函数分析证实Ti-C键在氢环境中断裂后，碳原子趋向sp²
杂化形成类石墨烯结构。

2. 实验验证结构重构
XRD与TEM证实球 milling过程中Ti₃
C₂
（002）晶面峰消失，出现2-5层石墨烯碳壳包裹MgH₂
颗粒（厚度0.34 nm），选区电子衍射（SAED）检测到Ti纳米晶（晶面间距0.245 nm）。

3. 储氢性能提升
TPD测试表明MgH₂
@Ti₂
C脱氢峰温降至290°C（纯MgH₂
为360°C），等温脱附表观活化能（E_a
）降低36.5%。循环测试显示碳封装有效抑制Mg颗粒烧结，100次循环后容量衰减仅3%。

结论与意义
该研究首次揭示MXenes在储氢体系中的双重作用机制：1）Ti活性中心通过多价态转变（Ti⁴⁺
/Ti³⁺
/Ti²⁺
）促进Mg-H键电子离域；2）原位生成的石墨烯碳层既限制MgH₂
晶粒长大（平均粒径<50 nm），又构建快速氢扩散通道。这种"金属-碳协同"策略为设计新一代储氢材料提供了范式，其理论预测-实验验证的研究方法亦可拓展至其他能源材料体系。值得注意的是，研究团队通过调控H₂
分压（40 bar）精确控制氢解程度，避免了传统HF蚀刻法造成的结构损伤，为MXenes的绿色制备开辟了新途径。