固态储氢材料的研究进展、优化策略与未来展望：推动氢能高效存储与利用的关键突破

为解决氢能存储技术中体积容量与安全性的瓶颈问题，研究人员系统综述了AB5、AB2、AB型、超晶格及Mg基固态储氢材料（SHSMs）的氢反应机制与性能优化策略，揭示了纳米化、合金化和催化剂添加对动力学/热力学的调控作用，为设计高容量、低能耗储氢材料提供了新思路，对实现氢能规模化应用具有重要意义。

　　

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在全球能源结构转型的背景下，氢能因其清洁高效的特性被视为替代化石燃料的重要选择。然而，氢气的安全高效存储始终是制约其大规模应用的"卡脖子"难题。传统的高压气态和低温液态储氢技术存在安全隐患和能耗高的缺陷，而固态储氢材料（SHSMs）凭借其优异的体积储氢密度和安全性脱颖而出，成为学术界和产业界关注的焦点。

为攻克固态储氢材料在实际应用中的瓶颈，中国的研究团队在《Sustainable Chemistry for Energy Materials》上发表综述，系统梳理了AB₅型（如LaNi₅）、AB₂型（如TiCr₂）、AB型（如TiFe）、超晶格结构（如La-Mg-Ni系）和Mg基材料等五大类SHSMs的研究进展。研究通过整合氢反应机理分析、热力学/动力学参数测定、材料改性策略评估等多维度数据，揭示了材料结构与性能的构效关系，并提出了未来发展方向。

研究团队主要采用文献计量分析与实验数据整合的方法，重点考察了JMA（Johnson-Mehl-Avrami）动力学模型对氢吸收曲线的拟合，结合Arrhenius方程计算活化能（E_a），并通过P-C-T（压力-成分-温度）曲线和Van't Hoff方程解析热力学参数（ΔH和ΔS）。此外，利用第一性原理计算和原位XRD等技术揭示了材料在氢化过程中的相变行为。

2.1 固态储氢技术基础机制

研究阐明了SHSMs的四步氢反应机制：H₂物理吸附（E_phys<10 kJ mol^-1）、化学解离（E_chem）、氢原子扩散（E_diff）以及α→β相变（E_N-G）。通过对比LaNi₅（19.66 kJ mol^-1）和ZrCo（120 kJ mol^-1）等材料的活化能，发现化学吸附或氢扩散通常是速率控制步骤。

3.1 AB₅型材料优化

元素替代策略显著改善性能，如La_0.6Mg_0.3Ni_3.45Nd_0.1合金通过真空吸铸法使晶胞体积扩大，储氢量提升至1.63 wt%。Mańka团队发现Y替代La可使平台压力随晶胞体积减小呈指数上升，揭示了体积约束效应对氢吸附能的影响。

3.5 Mg基材料突破

纳米化策略取得重大进展，Zhang等制备的4-5 nm超细MgH₂颗粒将脱氢峰温降至84℃，DFT计算证实纳米团簇的H₂解离能垒（0.13 eV）显著低于体材料（0.32 eV）。单原子催化剂如Mo₁-MgH₂使脱氢活化能降至84.55 kJ mol^-1，循环100次容量保持率>96%。

该研究不仅建立了SHSMs"结构-性能"关系的理论框架，更提出了多尺度协同优化的材料设计范式。通过调控[AB₅]与[A₂B₄]亚晶格的体积匹配度（如La_0.6Gd_0.15Mg_0.25Ni_3.5合金ΔV=0），成功解决了超晶格材料的循环稳定性问题。这些发现为开发满足美国能源部（DOE）车载储氢标准（容量>1.8 wt%，操作温度<85℃）的新材料指明了方向，将有力推动氢能在交通、储能等领域的商业化应用。