原位掺杂铜镍的碳气凝胶实现高效氢存储：孔隙调控与化学功能化的协同效应

针对固态储氢材料在低温高压条件下容量不足的瓶颈问题，研究人员通过原位溶胶-凝胶法合成铜镍双金属掺杂碳气凝胶（CAs），发现掺杂金属的氢溢流效应与化学活化协同作用可使材料在77 K/22 atm下储氢量达5.94 wt%。该研究为平衡比表面积（SSA）、孔径分布与化学功能化提供了新思路，对开发轻量化储氢系统具有重要意义。

　　

随着全球能源转型加速，氢能因其零碳排放特性成为最具潜力的清洁能源载体。然而氢气的低密度（0.01 MJ/L）导致其储存效率低下，当前主流的液态储氢（需-253℃深冷）和高压储氢（>500 atm）存在能耗高、安全风险大的缺陷。固态储氢材料通过物理/化学吸附机制固定氢分子，兼具高体积能量密度和安全性优势，其中碳气凝胶（Carbon Aerogels, CAs）因其三维多孔结构（比表面积可达1200 m²/g）、可调表面化学性质被视为理想载体。但纯碳材料在常温下储氢量不足2 wt%，而过渡金属（Transition Metal, TM）掺杂可通过氢溢流（spillover）效应提升容量——金属颗粒将H₂解离为活性H原子并迁移至碳表面，突破物理吸附极限。

针对现有研究单金属掺杂效率有限、金属团聚导致比表面积（Specific Surface Area, SSA）下降等问题，印度理工学院等机构的研究人员创新性采用铜镍双金属协同策略，通过原位溶胶-凝胶法制备掺杂碳气凝胶。研究发现：未活化样品（CACN）在77 K/22 atm下储氢达4.93 wt%，化学活化后（ACACN）提升至5.94 wt%，证实金属分散度与微孔优化的协同效应比单纯追求高SSA更关键。该成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》，为设计"轻量化-高效率"储氢材料提供了新范式。

关键技术方法包括：1）以间苯二酚-甲醛为前驱体，三乙胺催化聚合过程中原位引入铜/镍硝酸盐；2）采用CO₂超临界干燥保持多孔结构；3）通过KOH化学活化调控孔隙；4）结合X射线衍射（XRD）、拉曼光谱、场发射扫描电镜（FESEM）和X射线光电子能谱（XPS）分析材料特性；5）使用高压吸附仪测试77K-298K温度区间的储氢性能。

【Structural, Microstructural, and Spectroscopic analysis】
XRD显示样品具有典型石墨(002)和(101)晶面衍射峰，但铜镍以氧化物/单质混合态存在。拉曼光谱中D峰（缺陷碳）与G峰（石墨碳）强度比表明活化过程增加缺陷位点。FESEM显示活化后孔径从50-100 nm缩小至<2 nm，形成分级孔隙结构。XPS证实Cu²⁺/Ni²⁺与碳基体存在电子转移，创造更多氢吸附活性位点。

【Conclusion】
研究揭示三个关键机制：1）铜镍协同促进氢解离（镍）与稳定分散（铜），未活化样品即实现4.93 wt%储氢；2）化学活化虽将SSA从452增至1200 m²/g，但储氢仅提升20%，说明微孔（<2 nm）与金属活性位点匹配比单纯扩大SSA更重要；3）XPS证实金属-碳界面电荷重分布增强氢结合能。该工作首次证明双金属掺杂碳气凝胶的"结构-化学"双优化路径，为突破美国能源部（DOE）储氢目标（5.5 wt%）提供实验依据，其低温高效特性特别适合车载储氢系统开发。