基于掺杂石墨烯的氢化镁尺寸效应对储氢热力学性能的影响规律

In this project, we take magnesium hydride as the research object, and propose the use of doped graphene and size effect of magnesium hydride to reduce its dehydrogenation temperature to meet the requirement of on-board hydrogen storage system for the hydrogen fuel cell. Light non-metallic element doped graphene will be used as a support to strongly anchor and protect the in-situ formed magnesium hydride nanoparticles/clusters from aggregation and oxidation, and further to tune their hydrogen uptake/release thermodynamics. Based on this, we will controllably synthesize different particle sizes of magnesium hydride on the doped graphene, and then study the size effect on their thermodynamic properties of hydrogen absorption/desorption to achieve the critical size of thermodynamics change. Finally, the structural evolution of hydrogen absorption/desorption and interfacial interaction will be investigated to figure out the relation of doping element of graphene-particle size of magnesium hydride-hydrogen absorption/desorption thermodynamic properties. Our study will provide an excellent magnesium-based hydride composite with low de/hydrogenation temperature and high reversibility to promote the large-scale application of hydrogen energy and lay the foundation for exploring other reversible hydrogen storage systems to achieve low hydrogen absorption/desorption temperature.

本项目以氢化镁为研究对象，针对其在氢燃料电池车载储氢系统应用中存在的放氢温度过高的关键科学问题，提出基于掺杂石墨烯作为载体，利用氢化镁尺寸效应来降低吸/放氢温度。对石墨烯进行非金属元素掺杂，加强载体与氢化镁之间的作用，有效实现对氢化镁的锚定与保护，抑制团聚与氧化，同时实现对氢化镁热力学的调控。在此基础上，可控制备不同颗粒尺寸的氢化镁单分散在掺杂石墨烯上，真正从实验研究氢化镁尺寸效应对吸/放氢热力学参数的调控规律，获取吸/放氢温度显著降低的临界尺寸。对优选出的氢化镁-石墨烯复合材料进行吸放氢结构、界面作用的深入研究，揭示石墨烯掺杂元素-氢化镁颗粒尺寸-热力学性能的相互关系。本项目的研究不仅有利于开发低温可逆性好的氢化镁复合材料,为氢能的推广和大规模应用奠定基础，而且也为其他可逆储氢材料体系实现低吸/放氢温度提供全新的思路与重要的参考。

氢化镁具有储氢量高、吸放氢可逆性高、原料丰富与成本较低的特点，被认为是最有前景的储氢材料之一。限制其作为储氢材料规模化应用的主要原因是其放氢温度高与放氢缓慢。针对放氢温度高的问题，我们采用了纳米化的方法，通过创新的固液、固固双路径反应湿磨法，可控制备了纳米氢化镁，颗粒尺寸可低至3nm，放氢起始温度低至52℃，并引入了掺杂B的还原氧化石墨烯作为载体材料，实现对纳米氢化镁的锚定与保护，抑制了氧化的发生，研究了纳米化与载体对氢化镁热力学性能的影响。同时，我们还拓展了研究，通过制备单原子催化剂Ni@TiO2，研究其对氢化镁储氢性能的影响与作用机制；进一步通过还原处理可控制备了不同颜色的TiO2，调控了晶相及氧空位浓度，提升了催化剂电子传输能力从而提高了催化活性。黄色TiO2的引入有效催化降低了氢化镁的放氢温度、加快了放氢速率，放氢与吸氢激活能分别降低至55.0 KJ/mol H2与32.8 KJ/mol H2，恒温可逆循环测试也表现出了较好的稳定性。本项目的研究为制备纳米化氢化镁及改善氢化镁热力学与动力学性能提供了较好的理论与技术基础，为固态储氢技术与氢能规模化发展奠定了基础。