ZrMn2化合物氢吸脱附机制的实验与理论整合研究：推动固态储氢材料发展

为攻克氢能存储瓶颈，研究人员通过实验与理论结合，系统探究了ZrMn2化合物的氢吸脱附机制。利用PCT等温线及统计物理模型，揭示了其结构稳定性与热力学特性，证实氢化过程经历物理吸附-化学解离-扩散三阶段，为优化固态储氢材料提供了关键理论支撑。

　　

在全球能源转型背景下，氢能因其零碳排放特性成为替代化石燃料的理想选择，但高效安全的储氢技术仍是关键瓶颈。传统高压气态或低温液态储氢存在能耗高、风险大等问题，而金属氢化物固态储氢凭借其高体积密度和可逆性成为研究热点。其中，AB₂型Laves相合金ZrMn₂因结构可调和优异热力学性能备受关注，但其氢吸脱附机制与动力学限制仍需深入解析。

研究人员通过电弧熔炼法制备了Pd催化改性的ZrMn₂合金，结合Sieverts装置测定60-145°C下的压力-成分-温度（PCT）等温线，发现明显的氢化相变平台和滞后现象。理论方面创新性地采用基于巨正则系综的统计物理模型，突破了传统Langmuir模型的局限，定量解析了氢占据位点数量（n₁=2.21, n₂=4.32）与结合能（-ΔE₁=12.4 kJ/mol, -ΔE₂=8.7 kJ/mol）。

Materials
实验采用99.9%高纯Zr/Mn原料，添加Pd提升氢解离动力学，通过四次重熔确保成分均匀性。

Theoretical modeling
统计物理模型揭示氢吸收存在高/低能两种位点，拟合参数显示吸氢为放热自发过程（ΔG<0），但高温导致吉布斯自由能升高抑制吸收。

Absorption-Desorption Isotherms
PCT曲线显示ZrMn₂在145°C时储氢量达1.45 wt%，滞后系数随温度升高而减小，表明高温可改善循环可逆性。

Conclusion
该研究首次通过实验-理论联用阐明ZrMn₂的氢化机制：氢分子先物理吸附于表面，经Pd催化解离为原子后渗入晶格，优先占据四面体间隙位。理论计算证实晶格应变是滞后的主因，而位点能量差异导致阶梯式吸收曲线。这些发现为设计新一代固态储氢系统提供了关键参数，特别是通过元素掺杂（如Pd）和温度调控可显著提升ZrMn₂基材料的实际应用性能。论文发表于《Fluid Phase Equilibria》，为氢能材料多尺度研究树立了方法论典范。