卤素终止Ti3C2Tx MXenes催化剂显著提升氢化镁储氢动力学性能

为解决MgH2储氢材料热力学稳定性高与动力学性能差的核心难题，研究人员通过Lewis酸熔盐蚀刻法合成卤素终止（–Cl/–Br/–I）Ti3C2Tx MXenes催化剂。实验表明，Ti3C2Clx/MgH2等复合材料在300°C下10分钟内释放6.24 wt% H2，循环10次后容量保持率超90%。DFT计算证实催化剂通过弱化Mg–H键加速脱氢，为MXenes催化设计提供新思路。

　　

在全球能源转型背景下，氢能因其零碳排放和高能量密度被视为化石燃料的理想替代品。然而，氢气的安全高效存储仍是制约其规模化应用的瓶颈。固态储氢材料中，氢化镁（MgH₂）凭借7.6 wt%的理论储氢量和环境友好特性备受关注，但其实际应用面临三大挑战：需300°C以上高温才能释放氢气、脱氢速率缓慢、循环过程中容量持续衰减。尽管通过合金化、纳米结构调控等策略有所改善，但催化剂的精准设计仍是突破性能瓶颈的关键。

重庆大学材料科学与工程学院的研究团队在《Separation and Purification Technology》发表研究，创新性地采用卤素终止Ti₃C₂T_x（T=Cl, Br, I）MXenes作为催化剂，显著提升MgH₂的储氢性能。通过Lewis酸性熔盐蚀刻法精准合成单终止MXenes，结合球磨法制备复合材料。采用X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）表征材料结构，通过程序升温脱附（TPD）测试储氢性能，并利用密度泛函理论（DFT）计算揭示催化机制。

Synthesis of the Ti₃C₂T_x催化剂
以Ti₃AlC₂ MAX相为前驱体，与CuCl₂/NaCl/KCl按1:3:3:3摩尔比球磨后，在550°C氩气保护下蚀刻获得Ti₃C₂Cl_x。类似方法合成Br/I终止变体，最终与MgH₂以10 wt%比例复合。

Characterization of Ti₃C₂T_x催化剂
XRD显示蚀刻后Ti₃AlC₂特征峰消失，(002)峰向低角度偏移，证实成功剥离MXenes。SEM呈现典型手风琴状层状结构，EDS证实卤素均匀分布。比表面积测试显示Ti₃C₂Cl_x达98.6 m²/g，为催化提供丰富活性位点。

氢存储性能提升
在300°C等温脱氢测试中，Ti₃C₂Br_x/MgH₂和Ti₃C₂I_x/MgH₂10分钟内释放6.24 wt%氢气，较纯MgH₂提升近3倍。动力学分析显示脱氢活化能分别降至136.35和130.03 kJ/mol H₂。循环测试表明，所有复合材料10次循环后容量保持率>90%，优于多数报道的MXenes基催化剂。

机制分析
X射线光电子能谱（XPS）检测到Ti²⁺/Ti³⁺/Ti⁴⁺混合价态，证实多价态钛参与氢原子传输。DFT计算表明卤素终止MXenes通过电子转移使Mg–H键长从1.95 ?延伸至2.12 ?，显著降低键解离能。其中Cl终止样品因更强的电负性，表现出最优的催化活性。

该研究不仅证实卤素终止MXenes可定向调控MgH₂储氢性能，更建立了"终止基团-电子结构-催化活性"的构效关系模型。相比传统–OH/–F终止MXenes，卤素终止材料展现出更稳定的循环性能和更低的脱氢温度，为开发新一代储氢催化剂提供了理论依据和实践范式。特别是Cl终止催化剂在工业级温度（<300°C）下的优异表现，使其具备规模化应用潜力，对推动氢能汽车等实际应用具有重要意义。