镁方解石中氢吸附结构的解析及其在生物医学应用中的潜力

推荐：本研究针对缺血再灌注损伤中活性氧(ROS)清除难题，通过高压高温氢处理镁方解石((Ca,Mg)CO3)，揭示了MgH2分子在晶格间隙的吸附机制。XRD和XPS证实700℃时氢释放量达1093 ppm，为氢疗法材料开发提供新思路。

　　

在器官移植和缺血性疾病治疗中，活性氧(ROS)导致的再灌注损伤一直是临床难题。传统抗氧化剂存在靶向性差、生物毒性等问题，而氢气虽能选择性中和ROS，但其储存和可控释放技术尚未突破。自然界广泛存在的碳酸钙矿物因其生物相容性，成为氢载体材料的研究热点，但镁元素在氢吸附中的作用机制尚不明确。

研究人员通过高压高温(12 MPa, 100-800℃)处理珊瑚源镁方解石样品，结合X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和气体色谱(GC)等技术，系统分析了氢吸附结构与镁含量的关系。研究发现700℃处理时氢释放量达到峰值1093 ppm，且高镁样品(A组11 mol% Mg)释放量显著高于低镁组。

1. 材料表征
通过ICP-OES(电感耦合等离子体发射光谱)将七组样品分为高镁方解石(A,B)、低镁方解石(C,D,E,G)和白云石(F)。XRD显示d₁₀₄晶面间距从3.04 ?(A样)缩小至3.02 ?(F样)，证实Mg²⁺取代Ca²⁺引起晶格收缩。

2. 氢处理效应
700℃处理使样品A颜色由乳白变为灰色，XRD谱中镁方解石相消失并出现CaO弱峰。XPS检测到Mg1s轨道结合能从1304.1 eV(原始样)降至1303.1 eV(700℃处理)，与MgH₂标准值(1303.2 eV)吻合，但未观察到MgH₂的XRD特征峰，表明氢以单分子形式吸附于晶格间隙。

3. 释放动力学
气体色谱显示氢释放量与镁含量呈非线性关系：高镁组(A)在700℃释放量达1093 ppm，是低镁组(C)的1.5倍。相图分析揭示镁方解石相变温度随Mg含量增加而升高，11 mol% Mg的样品相变点为580℃。

4. 吸附机制
研究提出"晶格置换-间隙吸附"模型：高温高压下Mg²⁺从晶格脱嵌形成空位，氢分子与游离Mg²⁺结合为MgH₂吸附于间隙。每单位晶格(含6个Ca²⁺)中1个Mg²⁺置换对应17 mol% Mg含量，与实际检测的11 mol%存在差异，表明存在离散化取代特征。

该研究首次阐明镁方解石中氢的化学吸附机制，为开发可控释氢生物材料奠定基础。MgH₂在伤口愈合中兼具释氢和Mg²⁺促血管生成的双重功效，其生物安全性优于传统储氢合金。研究结果发表于《Next Materials》，为缺血性疾病治疗和器官保存提供了新型材料设计思路。