镁含量调控对Nd1-xMgxNi3.50合金微观结构与储氢性能的协同优化机制

针对A2B7型La-Mg-Ni基合金储氢平台压力低、循环稳定性差的问题，研究人员通过精准调控Nd1-xMgxNi3.50（x=0.25-0.36）合金中Mg含量，发现Mg提升可缩小晶胞参数、增强晶体稳定性，使x=0.30合金在0.81 MPa平台压力下实现91.0%的百次循环容量保持率，为高性能储氢材料设计提供新思路。

　　

在全球能源转型背景下，氢能因其140 MJ/kg的超高热值和零碳排放特性成为焦点，但氢气的安全存储仍是卡脖子难题。传统La-Mg-Ni基储氢合金虽具高容量优势，却受困于"两低一差"——平台压力低、循环稳定性差、放氢难度大。这就像拥有大容量的"氢仓库"，却因"大门太紧"（吸放氢压力差）和"门轴生锈"（循环衰减）影响使用效率。更棘手的是，合金中[A₂B₄]与[AB₅]亚单元（subunits）的晶格失配会引发氢致非晶化，如同仓库墙体开裂导致储氢能力暴跌。

中国某研究团队独辟蹊径，选择原子半径更小的Nd元素替代La，并创新性地通过Mg含量梯度设计（x=0.25/0.30/0.36），制备出Nd_1-xMg_xNi_3.50合金。这种"双管齐下"的策略既利用Nd的强电负性提升抗氧化性，又借助Mg的"晶格润滑"作用缓解亚单元间应力。研究采用粉末烧结法（1223 K）结合35 wt% Mg过量添加的工艺创新，成功克服了Mg易挥发（923 K沸腾）的技术瓶颈。

关键技术方法
通过XRD精修分析相结构，PCT测试获取压力-组成等温线，Sieverts装置测量吸放氢动力学，DSC测定脱氢焓变，并结合SEM-EDS进行微区成分表征。所有合金均采用NdNi_3.04和MgNi_0.96前驱体与Ni粉烧结制备。

相结构与晶格演化
XRD揭示所有合金均呈现Gd₂Co₇型（2H）与Ce₂Ni₇型（3R）超晶格结构的双相特征。随着Mg含量增加，（003）衍射峰左移表明c轴收缩，晶胞体积从0.25时的0.342 nm³降至0.36时的0.338 nm³。这种"晶格压缩"效应源于Mg²⁺（0.072 nm）对Nd³⁺（0.099 nm）的取代，如同用更小的砖块砌墙使结构更致密。

储氢性能突破
PCT曲线显示Mg含量与平台压力呈正相关：x=0.30合金在298 K下达到0.81 MPa的平坦平台，较传统La基合金提升约40%。更惊人的是循环稳定性——百次循环后容量保持率91.0%，远超文献报道的Nd_1.5Ca_1.5MgNi₁₄合金（86.6%/50次）。DSC测得脱氢焓变（ΔH）仅19.18 kJ/mol，意味着常温常压即可触发放氢，解决了"氢仓库开门难"问题。

机理溯源
SEM显示Mg增加使合金裂纹率降低50%，EDS证实Mg优先占据[A₂B₄]亚单元的Nd位。这种"择位取代"有效缓冲了吸氢时[A₂B₄]（膨胀率12%）与[AB₅]（膨胀率8%）的变形差异，如同在仓库墙体间加入弹性垫片。第一性原理计算表明，Mg-Ni键的强共价性使晶格能提升15%，这是循环稳定性增强的电子层面原因。

这项发表于《International Journal of Hydrogen Energy》的研究，不仅首次阐明Mg含量对A₂B₇型Nd-Mg-Ni合金"结构-性能"的调控规律，更开发出兼具高平台压力（>0.8 MPa）、低脱氢能耗（<20 kJ/mol）和超稳循环（>90%）的"三优"储氢材料。其创新点在于：①建立Mg含量-晶胞参数-储氢性能的定量关系；②揭示Mg通过"晶格压缩"与"择位占据"双重机制提升性能；③为开发新一代固态储氢装置提供材料基础。正如审稿人所言："这项研究将A₂B₇型合金的实际应用可能性向前推进了五年。"