三明治层状结构TM/Ti3C2Tx协同催化剂加速MgH2储氢动力学的机制研究

为解决MgH2储氢材料动力学性能差、脱氢温度高的瓶颈问题，研究人员通过构建过渡金属(TM=Co,Fe,Ni)负载Ti3C2Tx的三明治层状催化剂，显著提升氢吸附/解离速率。其中MgH2-Ni/Ti3C2Tx在250℃下1分钟吸氢3.59wt%，活化能降至67.2kJ/mol，为MXene基催化剂设计提供新思路。

　　

在全球能源转型背景下，氢能因其能量密度高、零碳排放等优势成为焦点，但安全高效的储氢技术仍是关键瓶颈。镁基储氢材料MgH₂虽具有7.6wt%的理论储氢容量，却受限于缓慢的氢吸附动力学和高达300℃的脱氢温度。传统改性方法如机械球 milling虽能细化颗粒却难以突破能垒限制，而单一催化剂又无法兼顾分子解离与原子扩散的多重需求。

针对这一挑战，来自陕西省重点研发项目支持的研究团队创新性地设计了三明治层状结构的TM/Ti₃C₂T_x(TM=Co,Fe,Ni)复合催化剂。通过将过渡金属与二维MXene材料Ti₃C₂T_x结合，利用其丰富的表面官能团和层状通道，协同优化氢分子解离、原子扩散路径和能量壁垒。研究成果发表在《International Journal of Hydrogen Energy》，为多维度调控储氢材料性能提供新范式。

研究采用超声辅助还原法制备催化剂，通过XRD、SEM等技术表征材料结构，结合Sieverts装置测试储氢性能。关键发现包括：

Phase composition and microstructure
XRD显示Ti₃C₂T_x保留典型层状特征，过渡金属均匀分布在MXene夹层中。SEM证实催化剂呈现独特的"三明治"形貌，这种结构为氢原子扩散提供快速通道。

Hydrogen storage performance
Fe/Ti₃C₂T_x在350℃实现93%理论储氢容量，而Ni/Ti₃C₂T_x表现最优动力学性能：250℃下1分钟吸氢3.59wt%，活化能较纯MgH₂降低42%。这种差异源于Ni对氢分子解离的特殊催化活性与MXene层间扩散的协同效应。

Conclusions
研究证实过渡金属与Ti₃C₂T_x的界面协同作用可同时改善MgH₂的热力学和动力学性能。特别是Ni/Ti₃C₂T_x体系通过降低氢分子解离能垒（E_a=67.2kJ/mol），实现了接近实用化要求的快速吸氢。该工作不仅为MXene基复合催化剂设计提供理论依据，更开创了"结构-催化"双调控的材料改性新策略。

值得注意的是，团队在Yulin科技局等项目支持下，进一步验证了该催化剂体系的循环稳定性。这种将基础研究与工程应用紧密结合的思路，对推动固态储氢技术产业化具有重要示范意义。