借助铝（Al）辅助的Y元素掺入镁（Mg）基体中：一种实现均匀分散的原位催化剂的方法，以增强脱氢反应的动力学性能

《Journal of Energy Storage》：Al-assisted Y incorporation into Mg matrix: A pathway to uniformly dispersed in-situ catalyst for enhancing dehydrogenation kinetics

　　

摘要

基于镁的氢储存材料的性能会因元素偏析而降低，尤其是具有催化活性的元素。因此，本研究证明了铝可以作为载体，将钇（Y）“拉”入镁基体中，促进均匀分散的催化相的形成。通过重力铸造（AC AZY）和铜模喷射铸造（CMI AZY）制备了两种Mg₉₃Zn₂Y₃Al₂合金。CMI AZY合金的脱氢动力学显著增强，其表观活化能为109.14 kJ·mol^?1，比AC AZY（152.16 kJ·mol^?1）低28%。微观结构和XPS分析表明，快速固化抑制了粗大的Al₂Y相的形成，反而形成了细小的、分布在基体中的Y₃Zn₃Al₄相。在氢循环过程中，CMI AZY中的Y能够在YH₂和YH₃之间高效转换，起到氢泵的作用。YH_x相的均匀分布提供了扩散通道，使得氢储存容量达到约5.98 wt%。这项工作提供了一种新的合金设计策略，以克服元素偏析并改善基于镁的氢储存材料的脱氢动力学。

引言

。

作为化石燃料的替代品，氢因其使用过程中的零排放特性、高比能量密度以及在多个领域的多功能性而成为一种非常有前景的清洁能源[1]。然而，最近的一项综合评估指出，氢能的广泛应用仍然受到储存和运输挑战的严重限制[2]。Alqahtani等人强调，克服这些障碍（包括储存解决方案、运输方式、效率提升和技术采纳）对于建立全球氢经济至关重要，而创新储存材料的进步是使氢成为可行主流能源的关键[3]、[4]。

在这方面，使用金属氢化物的固态氢储存技术受到了广泛关注，因为它们是一种有前途的替代方案[5]、[6]、[7]。金属氢化物具有显著的优势：氢以化学结合的形式储存在固态晶格中，这大大提高了安全性，与压缩或液化氢相比；此外，许多氢化物的体积氢密度超过了液态氢[8]、[9]。基于镁的合金因其高比能量容量（MgH₂为7.6 wt%）、低成本和丰富的储备而受到关注[10]、[11]、[12]。然而，MgH₂的实际应用受到其氢化物高热力学稳定性和缓慢脱氢动力学的严重阻碍，通常需要超过300°C的温度才能实现显著的氢释放[13]、[14]、[15]。

为了克服这些缺点，人们开发了多种策略，包括与过渡金属（如Ni、Co、Fe）合金化、纳米结构化以及添加催化剂[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。其中，加入稀土（RE）元素，特别是钇（Y），已被证明可以有效破坏MgH₂的稳定结构并促进氢的扩散[24]、[25]、[26]。例如，含有Y的金属间化合物相可以作为催化相形成的前驱体，有利于氢的分解和重组。然而，Y的实际效果往往受到其在晶界处偏析或在常规固化过程中形成粗大富Y颗粒的倾向的限制，从而降低了活性催化界面的密度和均匀性[27]。

在这项工作中，我们提出铝可以作为载体，将Y“拉”入镁基体中，促进均匀分散的细小催化相的形成，而不是在晶界处形成粗大的富Y聚集体。为了验证这一假设，我们比较了两种凝固技术：在不锈钢模具中的重力铸造和铜模喷射铸造，后者可以实现比重力铸造更高的冷却速率，从而快速固化。快速固化已被证明可以有效抑制元素偏析和细化微观结构，有望改善高容量基于镁的氢储存合金的氢储存性能，这些合金通常受到粗大α-Mg晶粒和催化元素偏析的限制。

章节片段

实验细节

这两种Mg₉₃Zn₂Y₃Al₂合金分别通过重力铸造和铜模喷射铸造制备。所得锭材分别标记为AC AZY和CMI AZY。用镀金刚石的锉刀对锭材进行研磨，获得高比表面积的芯片。该过程如图1所示。

氢的吸收和释放性能通过Sievert型装置进行测量，使用了0.5 g的合金芯片。通过进行三次循环来激活样品……

结果与讨论

图2a所示的AC AZY样品包含主要的α-Mg、共晶相（Mg + Mg₃Zn₃Y₂）、几何形状的Al₂Y相以及雪状的富Al相，后者在我们之前的研究中被鉴定为Y₃Zn₃Al₄[28]。显然，如图2c所示，CMI AZY样品中Y₃Zn₃Al₄相的比例增加，而Al₂Y相几乎消失，这一点得到了XRD图谱（补充图S1）的支持。此外，铜模喷射铸造有助于实现显著的晶粒细化……

结论

根据上述实验结果和讨论，可以得出以下结论：

• (1)
  铝作为有效的载体，将Y引入镁基体。在快速固化的CMI AZY合金中，粗大的Al₂Y相得到抑制，细小的Y₃Zn₃Al₄相均匀分布在镁晶粒内。这一微观结构特性使得氢化后YH_x相能够均匀分布，克服了传统重力铸造固有的偏析问题。
• (2)
  ……

CRediT作者贡献声明

张佳欣：撰写——初稿编写、资金获取、数据分析。曹鑫：数据分析。张彦华：数据分析。魏婷婷：研究工作。董继敏：数据分析。程旭：数据分析。李建峰：指导。梁明：指导。

资助

本工作得到了秦创原高层次创新与创业人才项目（编号：2025RC-YJRC-024、QCYRCXM-2023-177、QCYRCXM-2023-148和QCYRCXM-2023-123）以及中国陕西省自然科学基础研究计划（编号：2025JC-YBQN-757和2025JC-YBQN-678）的财政支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

张佳欣|曹鑫|张彦华|魏婷婷|董继敏|程旭|李建峰|梁明中国陕西省西安市西北有色金属研究院多孔金属材料国家重点实验室，710016