光驱动金属氧化物催化MgH2的可逆储氢：迈向温和条件下高效能源存储新策略

为解决传统MgH2储氢材料依赖高温（>300°C）和电加热的瓶颈问题，研究人员创新性构建TiO2/Fe2O3异质结光催化剂，首次实现太阳能驱动的MgH2可逆储氢。该复合材料在1.78 W cm?2光照下45分钟内释放3.11 wt% H2，脱氢活化能低至77.32 kJ mol?1，且在自然光下表现优异。这项发表于《International Journal of Hydrogen Energy》的研究为清洁能源存储提供了非热驱动的创新方案。

　　

在全球能源转型的背景下，氢能因其142 MJ kg^?1的高热值和零碳排放特性被视为终极清洁能源。然而，氢气的高效存储始终是制约其应用的阿喀琉斯之踵——高压气态储氢需要承受700个大气压的钢瓶，液态储氢则需消耗近三分之一的能量用于降温至-253°C。相比之下，固态储氢材料镁氢化物（MgH₂）虽具有7.6 wt%的理论储氢容量，却因脱氢温度超过300°C、动力学缓慢而长期困在实验室阶段。更棘手的是，传统电加热方式不仅能耗高，在野外或无电网场景更难以实施。这就像拥有一个保险箱却找不到合适的钥匙，如何突破温度枷锁成为解锁氢能未来的关键密码。

来自中国的科研团队独辟蹊径，将目光投向取之不尽的太阳能。受植物光合作用的启发，他们设想：能否像叶绿素捕获光能分解水那样，用半导体材料的光生电子直接撬开Mg-H键？基于此，研究人员创造性构建了TiO₂/Fe₂O₃异质结光催化体系，首次实现完全依赖光能驱动的MgH₂可逆储氢。这项发表于《International Journal of Hydrogen Energy》的研究，犹如为氢能存储装上了"太阳能引擎"。

研究团队采用高能球磨法制备MgH₂+7TiO₂/3Fe₂O₃复合材料，通过X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）确认异质结形貌，利用紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）分析光吸收特性，结合电化学工作站测试光电流响应。脱氢性能测试在定制光反应器中进行，采用气相色谱（GC）定量分析氢释放量。通过阿伦尼乌斯方程计算活化能，并开展循环测试评估可逆性。

Morphologies and structures of TiO₂/Fe₂O₃
SEM与XRD证实球磨后的TiO₂/Fe₂O₃形成紧密接触的异质结，UV-Vis显示其光吸收边红移至可见光区。莫特-肖特基测试揭示该异质结具有II型能带结构，光电流密度达纯TiO₂的3.2倍，为高效电荷分离奠定基础。

Photocatalytic dehydrogenation performance
在1.78 W cm^?2模拟太阳光下，优化组分的复合材料45分钟释放3.11 wt% H₂，较黑暗条件提升6倍。阿伦尼乌斯分析显示活化能从常规热驱动的120-150 kJ mol^?1骤降至77.32 kJ mol^?1，证明光生电子直接参与Mg-H键断裂。

Reversibility and natural light test
经过10次循环后储氢容量保持初始值的89%，北京地区自然光照射6小时可释放2.43 wt% H₂，证实实际应用可行性。对比实验表明Co₃O₄、Ni₂O₃等氧化物催化效果均逊于TiO₂/Fe₂O₃体系。

Mechanism investigation
X射线光电子能谱（XPS）发现光照后Mg 2p轨道结合能正移0.8 eV，电子顺磁共振（EPR）检测到·OH自由基信号，提出"双通道"机制：光生电子还原Mg²⁺为Mg⁰促进H₂释放，空穴氧化H^-为H⁺加速表面重组。

这项研究开创性地实现了三大突破：首次将光催化与储氢材料深度融合，摆脱了储氢技术对高温的绝对依赖；提出的非热驱动机制将传统"热能-化学能"转换路径革新为"光能-化学能"直接转化；开发的复合材料在自然光下仍保持优异性能，为分布式能源系统提供可能。正如通讯作者Yijing Wang强调的，这种"以光代热"的策略不仅适用于MgH₂，更为NaAlH₄、LiBH₄等复杂氢化物的温和条件储氢开辟了新航道。当清晨的阳光洒向储氢罐，或许不久的将来，我们就能见证光合氢能时代的真正来临。