综述：用于氢储存的前沿材料和方法，以促进可持续能源应用

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Frontier materials and methods for hydrogen storage toward sustainable energy applications

　　加布里埃莱·斯卡帕蒂 | 乔瓦尼·迪伊利奥 | 埃利奥·詹内利
那不勒斯“帕尔特诺佩”大学，意大利那不勒斯

**摘要**
氢储存仍然是氢基技术广泛应用的关键挑战。主要可以分为两种方法：物理储存，即氢以分子形式单独储存；以及基于材料的储存，即氢与宿主材料结合储存。虽然压缩氢或液态氢等物理方法在技术上已经相当成熟，但基于材料的系统开发程度较低，尽管它们在温和的温度和压力下具有更安全和更高效的操作潜力。本综述提供了对氢储存材料的全面和跨学科分析，重点关注其在接近室温条件下的性能。特别是，本文系统地探讨了多种材料家族，特别关注代表当前研究前沿的新材料和非传统材料，同时也涉及仍处于早期开发阶段的成熟化合物的先进配方。分析内容包括金属有机框架、碳同素异形体、MXenes、玻璃结构、沸石、共价有机框架和金属氢化物，并从实际氢储存应用的角度评估了它们的潜力。通过将材料的内在属性与应用条件相关联，本文提供了连接材料科学和能源系统工程的独特视角，为设计下一代氢储存技术提供了宝贵的见解，以实现安全、高效和可扩展的氢利用。

**1. 引言**
氢被广泛认为是未来可持续能源系统的关键推动者。它能够在不直接产生碳排放的情况下提供能量，并且可以从可再生资源中生产，因此是实现多个行业深度脱碳的重要能源载体。然而，实现基于氢的经济仍面临重大的技术和基础设施挑战，其中储存问题是需要克服的最关键方面之一。关于氢储存，可以分为两类主要方法：物理方法和基于材料的方法。第一类方法是将氢以原始状态储存（压缩气体、液态氢、低温压缩）；而在基于材料的方法中，氢与宿主材料结合储存。尽管物理方法（尤其是压缩气体）在技术上更为成熟，但由于它们可以在温和的温度和压力下使用，因此更受关注，从而提高了系统的安全性。

在基于材料的方法领域，根据氢与宿主材料之间建立的相互作用类型，可以区分出几种不同的类别。这种相互作用有两个主要特征：
- **结合强度**：根据其强度，相互作用可以是物理的（如范德华力）或化学的（如共价键或离子键）；
- **相互作用部位**：该过程可以仅涉及宿主材料的表面（吸附），或者延伸到其内部结构（吸收）。

特别是物理吸附是一种非常有趣且被广泛研究的相互作用类型，因为许多材料能够物理吸附氢：碳同素异形体（单壁或多壁碳纳米管、石墨烯、富勒烯）、多种天然多孔材料（例如沸石）、金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）和多孔有机聚合物（POPs）都是相关例子[1]、[2]、[3]、[4]。这些材料与氢之间的相互作用通常基于范德华力，结合能低于10 kJ/mol[3]、[5]。由于结合强度较低，通常只有在低温下才能达到较高的重量容量（超过1 wt%）[1]、[2]、[3]、[4]。除了基于物理相互作用的方法外，还有基于化学相互作用的方法。在这种情况下，氢分子分解成氢原子并与宿主材料发生化学结合。氢与大多数元素高度反应，因此在自然界中很少以纯分子形式存在[7]；然而，可逆性对于这些材料适用于氢储存至关重要。既有利用可逆化学键的液态材料，也有固态材料[8]、[9]。氨和液态有机氢载体（LOHCs），如环烷烃、甲醇和甲酸，是最重要的液态材料例子，而金属氢化物（MHs）则是研究最多的固态材料。尽管液态氢载体的重量和体积容量较高，但通常具有较高的解吸温度，并且经常需要贵金属催化剂[10]、[11]。另一方面，金属氢化物的重量容量较低或需要较高的解吸温度；此外，通常还需要实施热管理策略，且动力学可能较慢[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。对于液态和固态材料来说，使用的限制都与氢解吸反应的高焓值有关，该值通常超过50 kJ/mol[3]、[5]、[19]。通常，物理相互作用对于实际应用来说太弱，而化学相互作用又太强，难以找到在接近室温条件下的理想解决方案。基于材料的氢储存系统的最佳结合能量约为20–30 kJ/mol，这个值介于物理和化学相互作用之间[5]。这一目标范围激发了对新型和先进材料的密集研究。前沿材料正在被积极研究，以探索非传统的结构设计和功能特性，而更成熟的材料则通过改进的配方进行优化。这些努力显著提高了新兴材料的性能，在接近室温条件下的氢容量、动力学和可逆性方面取得了进展，从而使该领域更接近于找到满足实际储能应用要求的候选材料。在接下来的部分中，将分析一些用于氢储存的创新材料和方法，重点关注在温和温度和压力条件下具有较高氢容量的材料。具体例子包括金属有机框架、碳同素异形体、利用Kubas型相互作用的材料、MXenes、基于镁氢化物的系统、氧化铁、玻璃结构、共价有机框架、笼形物、沸石和多孔有机聚合物。

**1.1. 研究的新颖性和重点**
本综述提供了在温和操作条件下评估的氢储存材料的前所未有的全面概述，这一视角在当前文献中常常被忽视。虽然有许多关于特定类别氢储存材料的研究，如金属氢化物、碳基材料或MOFs，但这些研究通常只是进行一般性比较，而没有根据温度和压力范围区分性能。相比之下，本文提出了一种跨学科分析，将材料属性与其在现实储存场景中的实用性联系起来，从而弥合了材料科学和能源系统工程之间的差距。本文的一个独特特点是，对于每种材料类别，至少包含一个在室温或接近室温下展示氢储存能力的例子。这样的例子非常稀少，因为文献中报道的大多数材料仅在低温或高温条件下表现出最佳性能。通过系统地识别这些前沿案例，本文突出了可能在温和操作条件下实现氢储存的创新和非传统解决方案，提高了安全性和能源效率。此外，除了关注众所周知的材料外，本文还探讨了不太成熟或不太普及的系统，即仍处于研究前沿的系统，以及传统材料的先进配方，例如经过适当改性的镁氢化物（MgH2），它仍然是最具前景的可逆氢储存候选材料之一。此外，通过整合关于材料可用性、成本、生产过程和技术成熟度的信息，本文提供了关于可扩展性和可部署性的实际视角，将性能指标与现实世界的可行性联系起来。从能源系统的角度而不是纯粹的材料角度来展开讨论，本文提供了一种战略性和应用驱动的综合方法，旨在支持将材料层面的创新转化为可行的氢储存技术。

**2. MOFs**
金属有机框架是由金属离子或簇（称为“次级构建单元”，SBUs）与一维、二维或三维拓扑结构的有机连接器协调而成的材料[20]、[21]。MOF这一缩写是由Yaghi在1999年创造的[22]、[23]、[24]；从90年代末开始，人们对这些材料的兴趣日益增加[25]。它们最特殊的特性包括：高结晶度、极高的孔隙率和比表面积（高达94%和7140 m2/g），以及结构的可调性[20]、[25]。特别是这最后一个特性确保了性能的高度可调性，主要取决于合成过程：MOFs可以从许多有机连接器和SBUs开始合成，具有不同的金属与连接器比例和温度条件[6]。此外，通过向SBUs添加连接器可以改变几何形状，这取决于功能团之间的相互排列[23]。MOFs的结构形成了有序的通道网络，气体可以可逆地结合到结构的内部表面[26]。

MOFs中的氢储存基于物理吸附；由于涉及的力较弱，与其他吸附剂相比，MOFs通常只在低温和/或高压下表现出良好的吸附能力[6]、[23]。以下是文献中关于MOFs中氢低温吸附的一些重要结果：2014年，Grünker等人[27]测量了DUT-32在77 K和80 bar下的总重量容量为14.21 wt%，这是迄今为止报道的MOFs和物理吸附剂中的最高值之一。2017年，Ahmed等人[28]报告称IRMOF-20在77 K和100 bar下的H2吸附量为9.1 wt%。同样在2017年，Gómez-Gualdrón等人[29]通过计算和实验分析了三种基于锆的NU-110x系列样品，在77 K和100 bar下的最大重量容量范围为9.5至13.0 wt%。

要在室温下实现有效的氢吸附，需要增加反应焓值。正如Reardon等人[26]简要总结的那样，有几种方法可以实现这一目标：
a) 金属位点暴露：通过从框架中去除配体，可以暴露金属位点，从而提高吸附焓[30]；
b) 金属掺杂：特别是在大孔中，添加金属离子可以保证更高的吸附焓[31]、[32]；
c) 浸渍：类似于金属掺杂，浸渍包括将客体物种插入MOF的框架中，形成复合材料[33]；
d) 氢溢出：这一过程包括H2在基底上的活性物种上分解成氢原子，随后氢原子迁移到基底（初级溢出），最终迁移到另一种材料（次级溢出）；一些研究表明，在第一个基底和第二个基底之间插入桥接剂（通常由碳基材料制成）可以增强氢吸附[34]、[35]；
e) 连锁：当这种现象发生时，两个独立的框架相互组装，导致孔径减小，从而提高吸附焓和氢吸附量[36]。

在室温下的典型重量容量很难达到2 wt%[6]；文献中报道了一些有趣的例子。2010年，Sumida等人[37]合成并分析了一种基于Fe2+的钠长石型MOF，即Fe-BTT。这种材料在100 bar和298 K下可以储存1.0 wt%的H2。同一组还报道了另一种使用Be12(OH)12(1,3,5-benzenetribenzoate)4（BeBTB）[38]的显著例子（图1），该材料在298 K和95 bar下的重量容量为2.3 wt%。2017年，Prabhakaran等人[39]合成了一种基于金属有机框架MIL-101的复合材料，并通过溶液浸渍添加铝（通过alane纳米限制）。这种材料在298 K和100 bar下的氢吸附量高达1.74 wt%，是原始MIL-101的3.5倍。2021年，Jaramillo等人[40]测试了V2Cl2.8(btdd)的氢吸附性能。这种材料利用了与氢的弱Kubas型相互作用，结合能为?21 kJ/mol，最大吸附量为1.64 wt%在298 K和100 bar下。除了MOFs之外，还有其他材料能够与氢发生Kubas型相互作用，这将在第4节中讨论。Proch等人[41]报道了另一种在室温下由MOF基材料吸附氢的例子。他们合成了一种掺铂的MOF-177复合材料，在144巴和298开尔文的条件下，首次循环时能够吸附高达2.5 wt%的氢。尽管首次循环显示出良好的吸附性能，但在后续循环中氢的吸附量降低到了0.5 wt%，这可能是由于形成了铂氢化物，而铂氢化物没有释放所吸附的氢。

3. 碳的同素异形体
碳材料是研究最多的潜在物理氢吸附剂之一[42],[43],[44],[45],[46]。它们可以通过范德华力吸附分子氢。几种碳的同素异形体具有储氢性能，包括活性炭、富勒烯、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯和石墨烯，每种都有其独特的特性（图2）。本节将介绍一些在接近室温条件下表现出储氢性能的碳材料实例。

活性炭（AC）是一种高度多孔的材料，其比表面积约为2000–3000 m2/g，比孔体积约为0.5–1.5 cm3/g（尽管有些基于活性炭的样品报道了更高的数值）[49],[50]。它是由富含碳的材料通过热处理得到的，过程中碳化的有机前驱体经过热或化学活化，从而增加了孔体积[45]。可以使用多种富含碳的材料，如煤、焦炭、中国无烟煤、荔枝核、烟煤、壳聚糖、玉米芯和空果穗[49]。活性炭主要用于过滤应用，在工业上容易获得，因此价格相对便宜且应用广泛。

2015年，Ramesh等人[51]通过微波和热处理碳化酸角种子制备了一种活性炭材料。他们报告称，这种材料（命名为MWTSC-50-3-700）在303 K和40巴的压力下最大吸附量为4.73 wt%。据作者称，KOH活化对于获得如此高的吸附量至关重要。2016年，Ariharan等人[52]获得了更高的氢吸附量，他们在298 K和100巴的压力下测量到该材料吸附了5.9 wt%的氢。这种材料是由间苯二酚和三乙基硼酸盐的溶液制备的，然后在600°C的炉中碳化并研磨成粉末。碳化温度被证明会影响硼含量、比表面积，进而影响储氢能力。

石墨烯由单层sp2碳原子组成。当这些碳原子通过弱范德华力堆叠时，就形成了石墨。自然界中的石墨烯通常含有约20 wt%的杂质，也可以通过从焦炭或煤开始人工合成[49]。2013年，Vinayan等人[53]制备了掺钯的氮掺杂石墨烯（Pd/N-SG）并分析了其储氢性能。这种材料在298 K和40巴的压力下表现出4.3 wt%的优异吸附量，并且具有很好的可逆性。Pd纳米粒子的纳米级尺寸被证明对储氢性能有积极影响。2016年，Zhou和Szpunar[54]合成了两种不同钯含量（1 wt%和5 wt%）的Pd纳米粒子掺杂石墨烯纳米复合材料，这两种样品的吸附量分别为8.67 wt%和7.16 wt%。

在某些情况下，使用的材料是基于氧化石墨烯（GO）的。氧化石墨烯是一种C、O和H按不同比例组成的化合物，其结构与石墨烯非常相似。缺陷和含氧官能团的存在有助于进一步调整材料组成并增强其储氢性能[55]。2016年，Kim等人[55]制备了插钾的中孔氧化石墨烯（MESOGO），这种材料在300 K和40巴的压力下表现出4.65 wt%的吸附量。插钾的存在以及对材料沉积膜厚度的控制对于氢吸附至关重要。Yadav等人在2020年[56]发表了另一个有趣的结果，他们研究了预热温度对298 K和20巴压力下自对齐氧化石墨烯样品储氢性能的影响。分析了三种不同的预热温度（25°C、250°C和400°C），结果发现400°C的预热温度导致了最高的氢吸附量，达到2.5 wt%。

碳纳米纤维（CNFs），也称为石墨纳米纤维，可以通过碳氢化合物或含碳气体与氢的混合物的催化分解在小型金属颗粒（主要是铁、钴、镍及其合金）上生长[45],[57]。催化剂的形状和性质对CNFs的结构有显著影响，其形态可以是直的、双方向的、扭曲的或螺旋状的；此外，根据层片相对于纤维轴的方向，CNFs可以分为三种类型：片状堆叠、管状或人字形[45],[57]。2008年，Kim等人[58]分析了一种镀镍的高孔碳纳米纤维材料的氢吸附性能。由于在CNF结构中引入镍位点，观察到了298 K和100巴压力下2.2 wt%的最大吸附量。2021年，Thaweelap等人[59]报道了一种掺镍碳纳米纤维的优异氢吸附性能，他们测试了不同镍含量的样品，发现5 wt%的镍含量时性能最佳；镍含量过高时会导致颗粒聚集。在298 K和20–100巴的压力范围内，氢吸附量在0.5至2.12 wt%之间，并且在50巴和298 K下经过10次循环后仍保持良好的稳定性。

富勒烯是一种碳材料，其中碳原子通过单键或双键连接，形成封闭或部分封闭的环状结构，由5到7个碳原子组成。富勒烯的命名规则为Cn，其中n表示构成分子的总碳原子数。尽管可以通过表面功能化来调整其结构和性能，但这些材料在接近室温和温和的压力条件下很难实现良好的储氢性能。2023年，Lee等人[60]报道了一种在室温下具有显著储氢性能的富勒烯实例。他们研究了一种含有单个铂原子的非晶缺陷富勒烯（Pt-C60?x）。由于缺陷位点的存在，铂原子没有聚集，形成了非常有效的氢吸附中心，从而在298 K和100巴的压力下实现了6.8 wt%的最大可逆吸附量。

碳纳米管（CNTs）可以看作是卷曲的石墨烯片。其内径处于纳米尺度，而长度通常达到几十微米。根据C-C键和碳环的方向，可以区分三种不同的CNT构型：扶手椅型、之字形和手性型。此外，碳纳米管可以由单壁碳纳米管（SWCNTs）或多壁碳纳米管（MWCNTs）组成。从90年代末开始，CNTs作为储氢介质受到了广泛关注，因为多位研究人员发现了高达10 wt%甚至更高的最大吸附量。然而，后续的研究未能重复这些结果，发现的实际储氢量要低得多[61]。尽管如此，文献中仍有一些值得注意的例子。2005年，Shaijumon和Ramaprabhu[62]测量了一种经过热处理和酸处理的CNT样品在298 K和100巴压力下的氢吸附量为2.1 wt%。随后，在2010年，Liu等人[61]获得了类似的结果。他们比较了不同CNT样品的储氢性能，包括单壁和多壁类型，并应用了不同的纯化方法。最高吸附量出现在纯化的SWCNTs中，为292 K和122巴压力下的1.7 wt%。多项研究表明，引入金属位点可以增强CNTs的储氢性能。2007年，Reddy和Ramaprabhu[63]分析了一些MWCNT样品，发现纯化处理提高了材料的储氢能力，并且发现Pt粒子的分散进一步改善了这一性能。他们记录了一种纯化的Pt-MWCNT样品在298 K和90巴压力下的吸附量为3.1 wt%。2016年，Rather和Hwang[64]测量了一种通过溅射镀钛的MWCNT样品在298 K和16 atm压力下的吸附量为2.0 wt%。他们还指出了所用金属粒子分散方法的重要性，因为通过球磨法制备的类似样品显示出较低的吸附量（1.56 wt%）。多项研究[63],[65]指出，CNTs通常需要较高的脱附温度，这限制了它们在温和温度条件下的应用。

石墨烯是一种由苯环通过乙炔键连接的平面结构碳同素异形体。近年来，人们对这种材料作为储氢介质的兴趣日益增加。然而，到目前为止，尽管有大量的计算研究[66],[67],[68],[69],[70],[71]，但尚未发表相关的实验研究。

Kubas型相互作用涉及在金属原子存在下H2分子中的H-H键伸长，而不会断裂，这一过程类似于Dewar-Chatt-Duncanson模型中CO或烯烃与金属原子之间的相互作用[75],[76]。这种相互作用最早由Kubas等人[77]在1984年报道，是由两种同时作用引起的：•H2的充满σ键的轨道向金属原子的空d轨道提供电子密度；•金属原子的充满d轨道向H2分子的空σ*反键轨道提供电子密度。以下是一些关于应用Kubas相互作用进行氢存储的研究结果，这些研究均由同一研究小组完成，他们通过计算和实验方法分析了四种不同金属（Ti、V、Cr和Mn）的化合物。

为了获得块状TiH3，Hoang等人[78]在2013年采用了两步氢化方法处理Ti(CH(Si(CH3)3)2)3前驱体：首先在甲苯溶液中处理，然后搅拌并过滤后直接在80巴的氢气氛中处理。这一过程的温度范围从室温到180°C，显著减少了烷基钛氢化物中的过量碳氢化合物。XPS分析表明钛的氧化态仅为+3。在低温和室温下进行了吸附测试，发现两种条件下的吸附容量没有显著差异。在298 K和140巴的压力下，其重量容量为3.49 wt%（图3），对应的体积容量为44.3 kgH2/m3。尽管只进行了10次循环，但也测试了循环稳定性，证实了氢吸附的一致性。2015年，Morris等人[79]报告了类似的研究结果，他们分析了一种非晶铬(III)氢化物凝胶。该物质是通过两步氢化过程从前体四(三甲基硅基甲基)铬(IV)获得的，首先在150°C和85巴的压力下进行氢化，然后在25°C和70巴的压力下进行氢化。根据XPS分析，经过这些处理后，铬的氧化态变为+3。在298 K和160巴的压力下，其重量容量为5.08 wt%（图3），而体积容量为78 kgH2/m3，并且在10次循环后表现出良好的稳定性。有趣的是，吸附焓仅为+0.37 kJ/molH?。2016年，Morris等人[80]、[81]发表了关于烷基钒氢化物的两项研究。在[80]中，他们使用两步氢化过程（分别在85巴和100°C及150°C下）从前体V(CH(Si(CH3)3)2)3制备出了V(III)烷基氢化物。在298 K和120巴的压力下，其氢吸附量为5.4 wt%，对应的体积容量为75.4 kgH2/m3，吸附焓仅为+0.52 kJ/molH?。与之前报道的材料一样，该材料的吸附容量在10次循环后仍然保持稳定。在[81]中，作者采用了不同的方法，目的是降低材料成本。他们将苯锂和VCl?的溶液在二丁醚中的滤液在100°C下热处理后过滤，然后通过100巴和25°C的氢化处理得到了钒氢化物凝胶。这种材料是非晶态的，具有0到+4之间的不同氧化态，其中+3和+4是最常见的。在120巴和298 K的压力下，其重量容量为5.8 wt%（图3），体积容量为79.8 kgH2/m3，略优于之前的研究结果。该材料经过10次循环测试后仍表现出良好的稳定性。在2019年发表的后续研究[82]中，分析了Mn-烷基氢化物。样品是通过在100°C下对苯甲基锰的石油醚溶液进行氢化得到的，称为“KMH-1”（KMH是Kubas锰氢化物的缩写）。为了去除碳氢化合物成分，他们在100°C和85巴的压力下进行了4小时的氢化处理，随后在25°C和120巴的压力下进行了54次循环，得到了“KMH-1 as cycled”。在25°C和120巴的压力下，“KMH-1 as cycled”的最大重量容量为10.5 wt%，对应的体积容量为197 kgH2/m3（图3）。量热曲线显示氢化焓为+2.2 kJ/mol。这一观察结果支持了随着氢压的增加，材料结构发生扭曲，从而打开新的结合位点，导致吸附焓降低的机制。

MXenes是一种由过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物层组成的二维材料，这些层以手风琴状排列，并具有功能基团末端[83]。它们通常具有良好的热导率、电导率、亲水性和较大的比表面积。MXenes的一般公式为Mn+1XnTx，其中M是过渡金属，X是碳和/或氮，T是功能基团（最常见的有-O、-OH、-F和-Cl）[84]。MXenes源自MAX相，MAX相是一类早期的过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物，其通用公式为Mn+1AXn，n=1至4，A属于IIIA-VIA族或Cd族元素。通常，通过选择性蚀刻A元素，MAX相可以转化为MXene，使M-A键被更稳定的M-X键取代。蚀刻剂和工艺条件会影响最终产品的结构和性质。与其他技术和材料相比，MXenes的氢储存研究相对较新。尽管实验研究数量仍然有限，但一些计算研究显示出了有希望的前景[85]。以下是MXenes氢储存的一些相关实验实例。2017年，Osti等人[86]首次报道了MXenes的氢储存能力。他们发现，在不加载氢气的情况下，Ti3C2Tx（T是表面终止物种）在合成过程中会捕获一些分子氢。有趣的是，当蚀刻剂HF的浓度低于10%时，样品无法保留氢气，这是因为强蚀刻剂引入了不利于氢键形成的缺陷。同样，离子插层和提高退火温度也会导致结构缺陷增加，从而使样品无法储存氢气。2024年，Ghotia等人[87]研究了Ti3C2Tx在低温下的氢储存性能。他们从Ti3AlC2 MAX相开始，使用LiF和HCl溶液进行温和的蚀刻处理，去除了Al并形成了多层MXene。这种材料在77 K和25巴的压力下显示出非常高的重量容量，为10.47 wt%。作者认为层间距离和较大的表面积是解释其氢储存性能的关键因素。即使在低温下获得这一结果，也证明了MXenes作为有效氢储存材料的可行性。2021年，Liu等人[88]发表了迄今为止关于MXenes氢储存性能的最重要研究。他们研究的材料是Ti2CTx，该材料由Ti2AlC MAX相制备而来。前体用18%的HF溶液蚀刻8小时后过滤，并将固体相洗涤至pH值为7，最后在50°C的真空环境中干燥10小时。材料层并非平行排列，而是呈钟形，层间距离在6.8 ?到9.0 ?之间变化。最低距离出现在仍含有Al原子的区域（表明蚀刻是不完全的）。这种特殊结构对氢的吸附/解吸过程至关重要，因为它为H?进入/离开Ti2CTx的层间区域创造了优先路径。作者还比较了不同样品，有些样品含有特定功能基团，有些则没有。研究表明，-F基团负责可逆的氢储存，而-O和-OH基团则导致不可逆的氢储存。在25°C下，第一次循环的氢吸附量分别为4.2 wt%、5.7 wt%和8.8 wt%。经过多次循环后，25°C和50巴下的吸附量从第一次循环的最大值8.14 wt%下降到7.5 wt%，表明部分氢发生了不可逆结合。这一数值对应的体积容量为96.4 kgH2/m3。正如作者所提出的，类似Patchkovskii等人对石墨烯的研究[89]中的“纳米泵”效应，MXenes在中等压力下也能实现氢的吸附。吸附动力学较慢，通常需要2-3小时才能达到最大吸附量。解吸在95°C和0.5-0.7巴的压力下进行：80-85%的容量在几秒钟内释放，剩余部分则需要约20分钟才能解吸。根据[88]中的图表，在5巴和95°C下的解吸结果仍然很好，大部分氢在几分钟内释放。MXenes也被用于复合材料中。例如，Liang等人[90]研究了Pt改性的Ti3C2对AlH3氢储存性能的催化作用。加入3 wt%的MXene后，材料在62.8°C下能够解吸高达9.3 wt%的氢。此外，MXene的添加还改善了动力学性能，使得材料在120°C下30分钟内能够解吸8.4 wt%的氢。

镁氢化物（MgH?）由于其高重量容量（7.6 wt%）和体积容量（110 g/L）以及相对较低的原材料成本[91]、[92]，成为最受研究的氢储存材料之一。然而，它也存在一些限制，如较慢的动力学过程[91]、[92]、[93]以及较高的解吸温度（在温和压力条件下解吸开始温度约为300°C[92]），这使得实际应用较为困难。为了克服这些问题，已经进行了多项研究，旨在修改材料结构或利用基于MgH?的复合材料的特性。2021年，Zhang等人[94]利用超声波辅助从MgCl?和LiCl的四氢呋喃溶液中合成了非限制性的超细MgH?颗粒，颗粒尺寸为4-5 nm。与块状MgH?相比，这种材料的解吸温度显著降低。在常压下的解吸起始温度仅为30°C，尽管要达到接近常压的解吸平台压力需要高达215°C的温度。尽管仍然较高，但这远低于块状MgH?所需的温度。作者报告称，可逆储量为6.7 wt%；这一结果是在30°C和30巴的压力下重新吸收氢时获得的。脱氢焓计算为59.5 kJ/molH?，比块状MgH?（76 kJ/molH?）低22%。吸收和解吸的活化能分别为28 kJ/molH?和80 kJ/molH?，均显著降低（块状MgH?的相应值分别为90 kJ/molH?和160 kJ/molH?）。动力的降低使得在30巴和30°C下实现氢化成为可能。还研究了循环稳定性：在150°C和30巴至接近真空的条件下进行50次吸收-解吸循环后，仅观察到0.07%的容量损失。2024年，Li等人[95]研究了MOF作为镁氢化物氢化/脱氢反应催化剂的用途。他们发现，向MgH?中添加10 wt%的二维Pd修饰Ni-MOF后，氢储存性能有所改善。这种复合材料在100°C、150°C和200°C下分别吸收了2.62 wt%、6.06 wt%和6.67 wt%的氢，并在181°C开始解吸，在325°C和0.02巴的压力下30分钟内释放了6.0 wt%的氢。解吸活化能降低至34.58 kJ/molH?，进一步证实了动力学的改善。此外，还研究了多种碳同素异形体与镁氢化物的组合。2015年，Xia等人[96]研究了分散在石墨烯片上的MgH?纳米颗粒复合材料。他们比较了不同样品，其中Mg的含量不同，有的添加了Ni，有的没有。含有75 wt%镁氢化的样品表现出最佳的氢储存性能。这种材料在200°C和30 atm的压力下10分钟内能够吸收5.4 wt%的氢，并在200°C和0.01 atm的压力下50分钟内完成解吸。吸收和解吸的活化能分别为22.7 kJ/molH?和64.7 kJ/molH?，远低于块状MgH?。经过100次循环后，材料的稳定性仍然很好，最后一次循环的可逆容量仅降至5.35 wt%。决定材料氢储存性能的关键因素是即使在高镁含量下也没有金属颗粒聚集。他们将镀镍的石墨烯纳米片与Mg粉末以10:90的质量比在丙酮中通过超声振动混合，然后在853 K和20巴的氢气气氛下进行氢化燃烧合成，之后对材料进行研磨。比较了含有不同量Ni的材料。含有最高Ni量的材料表现出最快的动力学性能，在373 K和30巴的条件下100秒内能吸收6.28 wt%的氢气，在523 K和0.05巴的条件下1800秒内能释放5.73 wt%的氢气。2016年，Zhang等人[98]发表了类似的研究，他们研究了添加了5 wt% Ni2P功能化石墨烯纳米片的MgH2复合材料的储氢性能。这种材料在237°C时开始释放氢气，比同一团队测试的未经处理的MgH2样品低98°C。动力学性能也有显著提升，在325°C和真空条件下20分钟内复合材料释放了6.1 wt%的氢气，而未经处理的MgH2在同一条件下仅释放了0.2 wt%的氢气。此外，释放的活化能计算为122 kJ/molH2，明显低于未经处理的MgH2（同一作者在之前的研究中报告的值为157 kJ/molH2）。该复合材料的最大释放容量为6.8 wt%，在325°C和真空条件下；经过几次循环后，这一数值降至6.5 wt%，之后保持稳定。

2015年，Tan等人[100]发表了关于多壁碳纳米管负载二氧化钛对氢化镁催化作用的研究。该材料是通过将5 wt%的TiO2/MWCNTs与Mg95Ni5合金研磨得到的。Mg95Ni5–TiO2/MWCNTs在30巴和100°C下60秒内能吸收5.6 wt%的氢气，在0.05巴和220°C下10分钟内能吸收6.25 wt%的氢气；在0.05巴和250°C下10分钟内能释放5.95 wt%的氢气，在280°C下10分钟内能释放6.08 wt%的氢气。释放的活化能计算为79.13 kJ/molH2。

许多MXenes被研究作为氢化镁脱氢的催化剂[101]、[102]。2019年，Liu等人[103]通过球磨制备了MgH2-5 wt% Nb4C3Tx复合材料，并测试了其储氢性能。该材料在0.05巴下150.6°C时开始释放氢气，与纯球磨MgH2的脱氢起始温度（296.5°C）相比有显著降低。此外，在2000秒内200°C和0.05巴条件下释放了1.20 wt%的氢气，在250°C下释放了大约6 wt%的氢气。有趣的是，在30巴的压力下，该复合材料在50°C下两小时内能吸收3.50 wt%的氢气，在100°C下两小时内能吸收4.22 wt%的氢气，在150°C下两小时内能吸收6.01 wt%的氢气。吸收和释放的活化能分别计算为27.8 kJ/molH2和81.2 kJ/molH2。

2020年，Zhu等人[104]制备了Ni功能化的Ti3C2 MXene，并通过球磨将其与MgH2以10 wt%的比例混合。该复合材料的吸收动力学远快于纯MgH2，在125°C和30巴条件下25秒内吸收了5.4 wt%的氢气（在同一条件下1小时内吸收了5.80 wt%的氢气）。值得注意的是，即使在较低温度下，吸收的氢气量也相当可观，在75°C下1小时内吸收了4.0 wt%的氢气，在25°C下5小时内吸收了4.0 wt%的氢气（仍是在30巴的压力下）。在250°C和0.02巴条件下测得的脱氢速率为5.0 wt%的氢气在10分钟内释放。吸收的活化能为56 kJ/molH2，而释放的活化能为73.5 kJ/molH2。

2022年，Lu等人[105]制备了ZrO2功能化的Nb2CTx MXene，并展示了其与MgH2（使用了5 wt%的MXene）球磨后的催化效果。在0.06巴的背压下，该复合材料在300°C下150秒内能释放6.24 wt%的氢气，在240°C下900秒内能释放5.69 wt%的氢气。释放的活化能为60 kJ/molH2。关于吸收，30巴条件下150°C时氢的吸收量为5.46 wt%在100秒内，100°C时为5.07 wt%在180秒内，50°C时为4.02 wt%在30分钟内。经过30次循环（300°C和30/0.06巴条件下）后，氢的容量有所下降。

2023年，Gao等人[106]用不同的方法制备了几种Ti3C2Tx样品，并将每种样品的5 wt%添加到MgH2中然后进行球磨。表现最好的复合材料在0.05巴下199°C时开始脱氢，1000秒内的总释放容量为5.95 wt%。同一样品在125°C和30巴条件下1200秒内也能吸收4.57 wt%的氢气。这种材料的脱氢活化能为78.2 kJ/molH2。

另一种储氢方法是利用可逆金属（Me）氧化物的氧化还原循环：(1)MexOy+zH2?MexOy?z+zH2O。在这种情况下，H2是还原剂，而H2O是氧化剂。Thaler和Hacker[107]评估了27种不同的金属用于储氢的可能性。根据计算的热力学性质，他们发现只有少数金属在合适的温度下适用。其中最佳且研究最广泛的金属是铁，因为它价格便宜且大规模工业生产。在570°C以下，氧化铁的氧化还原反应如下：(2)Fe3O4+4H2?3Fe+4H2O。根据这个方程式，基于金属质量计算的最大容量分别为3.37 wt%（包含水质量）和4.81 wt%（不包含水质量）。如果系统配备冷凝器，就可以形成闭合循环，无需外部水源的水。在实际应用中，应通过添加氢气还原氧化铁，再通过高温蒸汽氧化还原的铁；这两个过程都需要一定的热量（通常在300°C以上进行），这会影响整体效率。Brinkman等人[108]计算出，在假设热回收率为0.8、还原温度为550°C和氧化温度为300°C的情况下，储氢过程的能量需求相当于氢气低位热值的27%。

这种储氢方法的另一个限制是铁颗粒在循环后会发生烧结，从而随时间显著降低容量[108]、[109]、[110]。Lorente等人[109]分析了添加铝、铬和铈对铁的影响。他们测试了含有不同量添加剂的样品，并将其与纯Fe样品进行了比较。他们指出，随着Al和Cr含量的增加，还原动力学减慢，而Ce的加入对反应速率没有显著影响。此外，他们证明所有复合样品的循环稳定性都优于纯Fe样品，并且当添加金属量约为5 mol%时，达到了稳定性和容量之间的最佳平衡。经过7次循环后，含有5.4 mol% Al、5.1 mol% Cr和5.9 mol% Ce的样品的氢容量分别为4.16 wt%、3.8 wt%和3.36 wt%。

另一种储氢方法是将氢储存在玻璃结构中。已经测试了多种方法，下面简要分析了一些最具代表性的方法。多年来，人们一直在测试不同材料制成的空心微球用于储氢[111]。其中，最有趣的是空心玻璃微球（HGMs）。氢可以通过微球的多孔壁，由于扩散性随温度升高而增加，因此可以通过加热储氢系统来释放氢气。孔的数量和大小影响材料的储氢性能。2014年，Dalai等人[112]分析了尿素作为发泡剂的影响。他们发现，在水中加入2 wt%的尿素溶液（体积占比为2%）可以显著提高微球的孔隙率。与原始微球相比，这些微球在200°C和10巴条件下能储存2.3 wt%的氢气，而没有添加尿素的微球在同一条件下只能储存约1.2 wt%的氢气。在其他研究中，研究人员评估了其他材料对玻璃微球的影响。上述同一团队报告了添加Co、Mg和Fe的结果。在第一项研究[113]中，他们测试了不同量的Co（从0.2 wt%到10 wt%），发现Co含量为2 wt%时，在200°C和10巴条件下5小时后的氢吸收量达到最大值，为2.32 wt%。在第二项研究[114]中，评估了Mg和Fe的添加效果。对于Mg，当金属含量为2 wt%时，在200°C和10巴条件下5小时后的氢吸收量最高，为2.0 wt%；对于Fe，当金属含量为0.5 wt%时，在相同条件下氢吸收量最高，为0.56 wt%。这种较低的吸收量是由于铁前体的发泡性能较差。在所有三种情况下，都证明随着金属含量的增加，氢的吸收量减少是由于氧化物在孔壁上沉积导致孔隙堵塞。

玻璃毛细管具有高强度和低密度的优点，因此可以承受非常高的压力。Holtappels等人[115]测试了不同材料（钠硅酸盐、硼硅酸盐、铝硅酸盐、石英）制成的毛细管，发现可以达到超过1000 bar的破裂压力。在接近2500 bar的压力和171.8°C的温度下，石英毛细管阵列的体积容量为48.3 g/L，重量容量为10.2 wt%[116]、[117]。尽管玻璃毛细管具有显著优势，但需要接近破裂压力的高压才能达到良好的容量，且氢气会通过壁层泄漏，这是实际应用中的限制。为了解决这些问题，Zhevago等人[118]提出在玻璃毛细管中储存低温压缩氢气（图4）。在77 K和350 bar条件下，他们测量到体积容量为25 g/L，重量容量为7 wt%，安全系数为2.3。此外，在该温度下，与常温和中等温度相比，氢气的释放量大大减少。在同一研究中，作者还指出，如果在制造过程中能更精确地控制毛细管的形状，理论上可以获得更好的结果，因为这将提高其强度。

除了前面分析的材料外，还有几种其他材料目前正在研究用于储氢，其中包括共价有机框架（COFs）、笼合物、沸石和多孔有机聚合物（POPs），这些材料被认为是最有前景的。COFs是基于碳的结晶纳米多孔有机聚合物，具有二维或三维结构[119]。它们由轻质元素（如C、O、B、Si、N和H）组成，具有高比表面积和纳米多孔性，使其类似于MOFs（第2节），适用于储氢[26]。与其他物理吸附剂一样，COFs通常只有在低温下才能达到良好的氢吸收水平。Furukawa和Yaghi[120]在一项综合研究中分析了77 K下的几种COFs，他们报告的COF-1、COF-5、COF-6、COF-8、COF-10、COF-102和COF-103的储氢容量分别为1.48 wt%、3.58 wt%、2.26 wt%、3.50 wt%、3.92 wt%、7.24 wt%和7.05 wt%。测试在压力高达80巴的条件下进行，但所有材料的最大氢吸附量在大约40巴时就已经达到了。文献中关于室温下碳有机框架（COFs）氢吸附量的测量例子并不多。2012年，Kalidindi等人[121]提供了一个例子，他们测试了一些镀有钯（Pd）的COF-102样品，这些样品中钯的含量不同。他们发现，在77开尔文（K）和20巴的压力下，随着钯含量的增加，氢吸附量减少。在这些条件下，无钯、含3.5%钯和含9.5%钯的样品的重量吸附容量分别为5.27%、4.60%和4.38%。容量减少的原因被认为是钯的添加导致比表面积和孔隙体积的减小。相反，在298开尔文下，钯的引入使得氢吸附量增加，分别为0.16%、0.38%和0.42%。

根据IUPAC的定义[122]，笼形化合物（clathrates）是“客体分子被宿主分子或宿主分子晶格形成的笼子所包围的化合物”。在笼形水合物（也称为气体水合物或水合物）中，宿主分子是水，通过氢键形成笼状结构。轻质分子气体（包括氢）以及某些碳氢化合物可以作为笼形水合物的客体分子。可以形成三种类型的结构，即sI、sII和sH，每种类型由两种或三种不同类型的笼子组成，通常分为小笼子和大笼子[123]。客体分子的存在稳定了笼形水合物的结构，因此引入次级客体分子或促进剂已被证明可以提高氢储存能力，尤其是在较温和的温度和压力条件下[124]。一个特别相关的促进剂例子是四氢呋喃（THF）。2004年，Florusse等人[125]证明，通过向样品中加入THF，可以显著降低笼形化合物的形成压力，与Mao等人[126]、[127]之前的研究相比：典型的原始条件是249开尔文和2200巴，而Florusse等人测试的条件是279.6开尔文和50巴。然而，在同一研究中也指出，THF完全占据了结构中的大笼子，导致氢储存能力显著降低。2005年，Lee等人[128]提出了一种机制，使四氢呋喃（THF）促进剂即使在非常低的浓度下也能稳定水合物结构，从而使大笼子仍然可用于氢储存。他们能够使用低至0.15摩尔%的THF（基于初始水溶液计算），在270开尔文和120巴的压力下达到最大氢浓度4.03%。笼形化合物作为氢储存材料的另一个限制因素是其动力学特性。2018年，Di Profio等人[129]分析了在反向胶束中形成的笼形化合物，这些胶束由水和异辛烷组成，并使用了不同的促进剂。这些促进剂包括THF、环戊烷（CP）、二氧杂环己烷（DXL）、2,5-二氢呋喃（DHF）、四氢吡喃（THP）和四氢噻吩（THT）。在大约270开尔文和100巴的压力下，THT的重量吸附容量最高，为0.50%（仅基于水的重量计算），而THP的动力学最快，吸收完成仅需13分钟。使用胶束可以提高动力学并有助于含有水不溶性促进剂的笼形化合物的形成。2023年，Prasad等人[130]研究了一些复合样品，使用MWCNTs作为笼形化合物形成的基底，并使用了不同的促进剂（THF、THP、DXL和DHF）。使用THF作为促进剂时，最高容量为1.5%，在263开尔文和100巴的压力下90分钟内完成吸收。

沸石是天然铝硅酸盐，属于碱金属或碱土金属，具有高孔隙率，其结构中含有不同数量的H2O分子。这些材料已被研究作为潜在的物理氢吸附剂。它们通常具有与氢的低相互作用能量，从而导致低吸附温度。Langmi等人[131]给出了一个例子，他们测试了几种不同结构的沸石。表现最好的一种沸石在77开尔文和15巴的压力下的重量吸附容量为2.19%，体积吸附容量为31千克氢/立方米。在接近室温的条件下，重量吸附容量通常非常低。在这方面，Streb和Mazzotti[132]测量了13X沸石在温和温度和压力条件下的氢吸附量。在25摄氏度（25°C）和30巴的压力下，最大容量为0.122%。有趣的是，沸石也被用作碳基材料的模板。2009年，Nishihara等人[133]合成了沸石模板碳（ZTC）材料，包括原始材料和负载了铂（Pt）的材料（铂含量为0.2%），并研究了它们在室温下的氢吸附性能。在30摄氏度（30°C）和100巴的压力下，原始材料和负载铂的样品的吸附量分别为0.87%和0.95%。原始材料还在340巴的压力下进行了测试，重量吸附容量为2.2%。2012年，Lee和Park[134]获得了更好的结果，他们比较了三种ZTC样品（即沸石铸型微孔碳ZMiPCs）的氢储存能力：一种原始材料，一种酸浸渍（用H3PO4）和一种碱浸渍（用KOH）。由于电荷诱导的偶极相互作用，酸浸渍样品在25摄氏度（25°C）和100巴的压力下的重量吸附容量最高，为1.53%，超过了碱浸渍样品的1.08%和原始材料的0.57%。2020年，Yang等人[135]使用沸石作为模板制备了一些碳材料。他们比较了原始样品和两种负载铂的样品的氢吸附量，其中原始材料中添加了5%和10%的铂。在20巴的压力下，原始样品在77开尔文（77 K）和298开尔文（298 K）下的重量吸附容量分别为6.33%和0.20%。在低温和室温下，含有最高量铂的样品具有最低的氢吸附容量。将这些结果与Nishihara等人的[133]报告的结果进行比较表明，铂的负载量不应超过一定限度，否则会适得其反。采用不同的方法，2014年Widiastuti等人[136]制备了一种沸石-碳复合材料（在这种情况下，沸石没有从样品中去除），并研究了其在低至中等压力下的氢储存性能。在30摄氏度（30°C）和20磅/平方英寸（20 psi，相当于1.38巴）的压力下，重量吸附容量为1.66%（基于初始样品质量计算，未包括氢的重量；如果包括氢的重量，容量将是1.63%）。最大容量在100分钟后达到。

多孔有机聚合物（POPs）是过去几十年中越来越受到关注的另一类物理吸附剂。它们可以分为四组[137]：超交联聚合物（HCPs）、共轭微孔聚合物（CMPs）、多孔芳香框架（PAFs）和具有内在微孔性的聚合物（PIMs）。在HCPs中，高交联度使材料能够保持其多孔结构，而不会塌陷成密集形态。2006年，Lee等人[138]报告说，超交联聚苯乙烯在77开尔文和15巴的压力下能够吸附3.04%的氢。2007年，同属[138]团队的Wood等人[139]测试了几种通过不同单体自缩合合成的超交联聚合物网络。在77.3开尔文和15巴的压力下，他们测得超交联聚（乙烯基苄基氯）（HCPVBC）、对二氯苯（p-DCX）网络和BCMBP/p-DCX共聚物网络（BCMBP代表4,4’-双（氯甲基）-1,1’-联苯）的氢重量吸附容量分别为3.17%、3.18%和3.68%。2012年，Demirocak等人[140]比较了几种商业HCPs的性能，并选择了最适合掺铂的一种。在77开尔文和294开尔文的压力下，评估了原始样品和两种掺铂样品（通过湿法浸渍和桥接方法制备）的氢储存性能。在1个大气压（1 atm）和77开尔文下，最大容量分别为1.53%、1.20%和1.15%。然而，在100个大气压（100 atm）和294开尔文下，这些值分别降低到0.33%、0.32%和0.36%。

CMPs的特点是通过π共轭骨架形成的三维框架，该骨架由多个碳-碳三键和/或芳香环组成[119]、[141]。2010年，Li等人[142]合成了一些含不同量锂的Li掺杂CMP样品。他们在77开尔文和1巴的压力下测量到氢储存容量为6.1%。当锂含量超过这个量时，由于聚集作用，氢吸附量减少。在类似的研究中，Yang等人[143]利用锂阳离子-π相互作用制备了Li掺杂的CMP。在77开尔文和1巴的压力下，记录的最大氢吸附量为7.3%，远高于原始CMP的1.9%。在273开尔文和1巴的压力下，Li掺杂样品的容量为0.32%。2019年，Zeng等人[144]合成了基于多环芳烃的石墨状CMP（即CMP-G），并在77开尔文和两种不同压力（1巴和20巴）下对其进行了测试。H2的吸附具有快速动力学和完全可逆性；在1巴和20巴的压力下，重量吸附容量分别为1.27%和2.69%。

PAFs是含有多个苯环的多孔有机材料，其性能类似于COFs[119]、[145]。2009年，Ben等人[146]报道了第一个通过PAF进行氢储存的例子。他们合成了所谓的PAF-1，并测试了其氢储存能力，在48巴和77开尔文下测得吸附量为7.0%。2011年，同一研究小组[147]评估了另外两种PAF（含有四价硅（PAF-3）和锗（PAF-4）的氢储存性能。在77开尔文和60巴的压力下，这两种材料的重量吸附容量分别为5.5%和4.2%。2024年，Kim等人[148]报道了两种多孔芳香框架的非常有趣的结果。他们合成了两种材料C-PAF和Si-PAF，并在不同的温度（从77开尔文到298开尔文）和压力（高达100巴）下评估了氢吸附性能。在77开尔文和100巴的压力下，它们的重量吸附容量分别为17.49%和17.79克/升（g/L），体积吸附容量分别为45.29克/升（g/L）和48.63克/升。在298开尔文、100巴的吸附压力和5巴的脱附压力下，重量吸附容量分别为3.38克/升和3.27克/升，体积吸附容量分别为8.77克/升和8.94克/升。

PIMs的特点是在材料合成过程中形成的小互连孔隙（直径甚至小于2纳米），这些材料由刚性大分子获得[149]、[150]、[151]、[152]。2008年，Makhseed等人[153]制备了一种具有PIMs特性的聚酰亚胺（即OFP-3），并测试了其氢储存能力。在77开尔文和10巴的压力下，该材料可逆吸附3.94%的氢且未达到饱和。2010年，Ghanem等人[154]比较了几种基于三联苯的PIMs的氢储存性能。其中Trip(Me)-PIM（Me代表甲基）在77开尔文和10巴的压力下达到了3.2%的吸附量。同样在2010年，Wang等人[155]研究了两种聚酰亚胺网络。在30巴的压力下，两种样品中较好的一个在77开尔文下的氢吸附量为3.30%，在110开尔文时降至约2.0%。与其他物理吸附剂一样，PIMs的氢吸附能力在室温下显著降低。Holyfield[156]给出了一个例子，他在298开尔文和160巴的压力下报告PIM-1的吸附量低于0.3%。结果与讨论
所进行的分析突显了在实际条件下实现高 gravimetric 容量的近期显著进展。表 1 和相关的图 5 提供了最相关研究材料的比较概览，展示了从 MOFs 和碳同素异形体到 MXenes 和金属氢化物等不同类别材料在各种温度和压力条件下的性能。除了在指定温度和压力条件下的 gravimetric 容量外，表 1 还报告了评估氢存储材料实际应用性的关键补充参数。特别是，包括了体积容量和比表面积，以便从系统和材料层面更全面地评估存储性能。此外，该表还考虑了其他关键指标，如循环性和可逆性。对于循环性，报告的值明确与评估性能的充放电循环次数相关联，从而可以更清晰地解释材料的长期稳定性。关于可逆性，当报告的值与 gravimetric 容量一致时，表明材料在所研究的操作条件下表现出完全的可逆性，这意味着储存的氢气可以有效地释放和重新吸收而不会造成显著损失。值得注意的是，该表强调了可实现的氢容量范围很广，在有利条件下，一些先进材料的容量超过了 10 wt%。

表 1. 本研究中分析的氢存储材料在不同操作条件下的主要性能
| 材料类别 | 具体材料 | H2 容量 | 温度 [K] | 压力 [bar] | 体积容量 [g/L] | 比表面积 [m2] | 循环性 [% (n. cycles)] | 可逆性 [% (bar/K)] | 参考文献 |
|-------|---------|---------|---------|-----------|--------------|-----------------|-----------------|-------------|
| MOF | DUT-32 | 14.2 | 77 | 80 | 44.9 | 64 | 11 | | [27] |
| MOF | IRMOF-20 | 9.1 | 77 | 100 | 51 | 40 | 73–9.1 (5/160) | [28] |
| MOF | NU-110x | 9.5–13.0 | 77 | 100 | 44.9–48 | -74 | 340–62 | 45–9.1-12.6 (5/160) | [29] |
| MOF | Fe-BTT | 1.02 | 98 | 100 | 8.4 | 20 | 10–1.0 (n.a./77) | [37] |
| MOF | BeBT | 2.32 | 98 | 95 | 114 | 30–2.3 (n.a./77) | [38] |
| MOF | MIL-10 | 1-AC-Al | 1.74 | 98 | 100–24 | 70–1.3 (1/298) | [39] |
| MOF | V2Cl | 2.8 | btdd | 1.64 | 98 | 100 | 11.9 | 19 | 20–1.63 (1/298) | [40] |
| MOF | Pt-MOF-17 | 77 | 2.52 | 98 | 144–86 | 70.5 (2) | | [41] |
| ACMW | TSC-50-3 | 70 | 0 | 4.7 | 30 | 340–178 | 44.7 (30) | 3.6 (1/298) | [51] |
| ACMW | CB-C | 60 | 0 | 5.9 | 298 | 100–23 | | [52] |
| Graphene | Pd/N-SG | 4.32 | 98 | 40 | | –4.1 (1/298) | [53] |
| Graphene | 1%Pd/graphene | 8.67 | 98 | 60 | –75 | 1.9 | | [54] |
| Graphene | 5%Pd/graphene | 7.16 | 98 | 60 | –75 | 1.9 | [54] |
| GOMESO | GO | 4.65 | 30 | 0 | 40–120.6 | | [55] |
| GOGO-4 | 0 | 2.52 | 98 | 20 | | | [56] |
| CNF | PCNF-Ni-4 | 2.22 | 98 | 100–13 | 10–2.2 (1/298) | [58] |
| CNF | ACNF*-5% Ni | 2.12 | 98 | 100–76 | 3.4 | 1.17 (10) | 1.17 (50/298) | [59] |
| Fullerene | Pt-C60?x | 6.82 | 98 | 100 | 64.9 | 20 | 2.8 | 4.8 (15) | 4.8 (60/298) | [60] |
| CNT | purified | 2.12 | 98 | | | [62] |
| CNT | purified SWCNT | 1.72 | 92 | 122–22 | | [61] |
| CNT | purified Pt-MWCNT | 3.12 | 98 | | | [63] |
| CNT | Ti-MWCNT | 2.02 | 98 | 16.2 | 1.56 (4) | | [64] |
| Kubas MH gel | Ti hydride | 3.49 | 98 | 140 | 44.3 | 99 | 3.49 (10) | 2.69 (1/298) | [78] |
| Kubas MH gel | Cr hydride | 5.08 | 98 | 160 | 78 | 39 | 15.08 (10) | 4.08 (1/298) | [79] |
| Kubas MH gel | V hydride | 5.82 | 98 | 120 | 79.7 | 2.2 | 5.8 (10) | 5.1 (1/298) | [81] |
| Kubas MH gel | Mn hydride | 10.5 | 98 | 120 | 197 | 257 | 10.5 (10) | 10.1 (1/298) | [82] |
| MXene | Ti2CTx | 8.82 | 98 | 60 | 96 | 3.3 | 7.5 | 6.5 (5) | 3.5 (1/298) | [88] |
| AlH3+MXene | AlH3+Pt-Ti | 3C2-3% | 9.3 | | –16.4 | | [90] |
| MgH2 | nano-confined | 6.7 | 30 | 330 | 65.6–6.6 | 3 (50) | 6.7 (0.01/393) | [94] |
| MgH2+MOF | MgH2+Pd-Ni-MOF-10% | 6.67 | 73 | 30 | –6.3 (10) | 6.3 (0.02/n.a.) | [95] |
| MgH2+graphene | Ni-MgH2-75%+graphene-25% | 5.44 | 73 | 30 | –5.3 (100) | 5.35 (0.01/n.a.) | [96] |
| MgH2+graphene | MgH2+Ni-graphene | 6.28 | 37 | 30 | –5.7 | 3 (0.05/523) | [97] |
| MgH2+graphene | MgH2+Ni2P-graphene | 6.5 | | –6.5 | 6.5 (n.a./n.a.) | [98] |
| MgH2+CNT | Mg95Ni5+TiO2-MWCNTs | 5.63 | 73 | 30 | --- | 5.95 (0.05/523) | [100] |
| 6.25 | 49 | 33 | 30 | MgH2+MXene | MgH2-95%+Nb4C3Tx-5% | 6.01 | 42 | 33 | –6.01 (4) | 6.01 (0.5/523) | [103] |
| MgH2+MXene | MgH2-90%+Ni-Ti3C2-10% | 4.02 | 98 | 30 | –5.2 (10) | 5.2 (0.002/548) | [104] |
| 5.83 | 98 | 30 | MgH2+MXene | MgH2-95%+ZrO2-Nb2CTx-5% | 4.02 | 23 | 33 | ---- | [105] |
| 5.46 | 42 | 33 | MgH2+MXene | MgH2-95%+Ti3C2Tx-5% | 4.57 | 98 | 30 |–– | [106] |
| Fe+metal | Fe-94.6%+Al-5.4% | 4.16 | 72 | 1–9.8 | 4.1 (7) | | [109] |
| Fe+metal | Fe-94.9%+Cr-5.1% | 3.87 | 23 | 1–3.5 | 3.8 (7) | | [109] |
| Fe+metal | Fe-94.1%+Ce-5.9% | 3.36 | 72 | 1–6.9 | 3.3 (7) | | [109] |
| HGMs | HGMs | 1.24 | 73 | 10 | | – | [112] |
| HGMs+urea-2% | 2.34 | 73 | 10 | | – | [112] |
| HGMs+Co-2% | 2.32 | 73 | 10 | | – | [113] |
| HGMs+Mg-2% | 2.04 | 73 | 10 | | – | [114] |
| HGMs+Fe-0.5% | 0.56 | 73 | 10 | | – | [114] |
| Capillaries | Quartz capillaries | 10.24 | 44 | 52 | 48.3 | | – | [117] |
| Capillaries | Glass capillaries | 77 | 73 | 50 | 25 | | – | [118] |
| COF | COF-1 | 11.48 | 77 | 40 | 14.5 | 75 | –0.8 (1/298) | [120] |
| COF | COF-5 | 3.58 | 77 | 40 | 20.8 | 167 | –2.6 (1/298) | [120] |
| COF | COF-6 | 2.26 | 77 | 40 | 24.9 | 75 | –2.4 (1/298) | [120] |
| COF | COF-8 | 3.50 | 77 | 40 | 24.9 | 135 | –2.4 (1/298) | [120] |
| COF | COF-10 | 3.92 | 77 | 40 | 18.8 | 176 | –2.7 (1/298) | [120] |
| COF | COF-10 | 27.24 | 77 | 40 | 31.1 | 362 | –6.3 (1/298) | [120] |
| COF | COF-10 | 37.05 | 77 | 40 | 30.3 | 353 | –6.1 (1/298) | [120] |
| COF | COF-10 | 2+Pd-9.5% | 0.42 | 298 | 20 | –14 | 19–0.12 (1/298) | [121] |
| Clathrate | H2(H2O) | 25.32 | 49 | 200 | | – | [127] |
| Clathrate | THF-(2H2)?(4H2)?17H2O | 4.03 | 270 | 120 | | – | [128] |
| Clathrate | THT-H2 hydrate | 0.50 | 274.5 | 100 | | – | [129] |
| Clathrate | +CNT | THF-MWCNTs-H2 hydrate | 1.52 | 63 | 100 | | – | [130] |
| Zeolite | CaX2 | 2.19 | 77 | 153 | 166 | | [131] |
| Zeolite | 13X | 0.12 | 22 | 98 | 30 | | [132] |
| ZTC | NaY-AC | 0.87 | 30 | 310 | –38 | [133] |
| ZTC | NaY-AC+Pt-0.2% | 0.95 | 30 | 310 | –34 | [133] |
| ZTC | NH4Y-based ZMiPC | 0.57 | 298 | 100–154 | | [134] |
| ZTC | (KOH) NH4Y-based ZMiPC | 1.08 | 298 |