反应性元素添加剂增强MgH2去稳定化的机理研究与材料设计

为解决镁基储氢材料热力学稳定性过高的问题，研究人员通过密度泛函理论(DFT)系统研究了MgxAy合金（A=II-IV族、过渡族等元素）的形成机制及其对MgH2去稳定化作用。研究发现Rh、Pd等元素能形成多类型稳定合金相，显著降低脱氢焓至放热水平，其中MgAg、Mg2Ge等合金展现出最佳平衡性能。该研究为设计高效镁基储氢材料提供了理论依据。

　　

在全球能源转型背景下，氢能作为清洁能源载体面临储存技术瓶颈。镁氢化物(MgH₂)虽具有7.6 wt%的高储氢容量，但其75.3 kJ/mol H₂的高脱氢焓导致操作温度超过300°C，严重制约实际应用。更棘手的是，Mg/MgH₂表面缺乏活性位点导致氢解离-复合动力学缓慢，这些问题如同"锁死"了镁基材料的商业化之路。

英国诺丁汉大学先进材料研究组(Advanced Materials Research Group, University of Nottingham)的Navaratnarajah Kuganathan团队在《Journal of Energy Storage》发表研究，通过高通量密度泛函理论(DFT)计算，系统扫描了II-IV族、过渡金属等元素与镁形成的42种合金相，首次建立多组分合金相图与脱氢性能的构效关系。研究人员采用维也纳从头算模拟软件包(VASP)进行自旋极化计算，使用PW91泛函处理交换关联作用，设置500 eV截断能和0.2 ?^-1 k点间距，通过Bader电荷分析揭示电子转移机制。

多晶型MgH₂的结构特性

α-MgH₂四方相被证实是最稳定构型，其4.497 ?的晶格参数与实验值误差<0.5%。Bader电荷分析显示Mg²⁺和H^-保持典型离子键特征，为后续合金化改性提供基准。

MgA型合金的催化效应

Pd、Rh分别以-73.34和-48.24 kJ/mol原子的形成能主导MgA相形成，使脱氢焓降至-15 kJ/mol H₂以下。Ag虽形成能适中(-26.10 kJ/mol原子)，但实现10.6 kJ/mol H₂的温和脱氢焓，在可控性与性能间取得最佳平衡。

Mg₂A相的双重作用

Mg₂NiH₄的脱氢焓(63.0 kJ/mol H₂)虽低于纯MgH₂，但仍需优化。而Mg₂Ge通过形成能-29.27 kJ/mol原子的稳定相，将脱氢焓降至18.8 kJ/mol H₂，与实验值14 kJ/mol H₂高度吻合。

三元氢化物的协同机制

Mg₂NiH₄分解为Mg₂Ni和H₂需126.2 kJ/mol能量，而Mg₂VH₆因V-H键较弱呈现-103.2 kJ/mol H₂的放热分解。特别值得注意的是MgAl₂H₈通过-39.5 kJ/mol的放热路径生成MgH₂和AlH₃，为低温放氢提供新思路。

该研究不仅建立合金元素-相结构-脱氢性能的定量关系，更发现电子结构调控是关键机制：DOS分析显示合金化引入的d/p态电子显著降低Fermi能级处态密度，如MgCu₂中Cu的3d电子使体系呈现金属性，有效弱化Mg-H键。这些发现为开发新一代镁基储氢材料提供理论蓝图，通过精准设计多元合金相，有望实现<100°C的温和条件放氢，推动氢能汽车等实际应用进程。