氢化镁：可持续能源储存的关键？

　　研究人员已经发现了氢化镁作为储氢解决方案失败的原因，并确定了前进的道路，可能会彻底改变氢在能源应用中的使用。用电子能谱法研究了氢在纯镁层中的迁移。资料来源:Empa / AB / IFJ PAN

　　人们很容易乐观地认为氢是一种理想的燃料。要想出一个解决绝对基本问题的办法要困难得多:如何有效地储存这种燃料?瑞士和波兰实验和理论物理学家之间的一项合作努力揭示了为什么过去利用氢化镁储氢的努力没有达到预期的效果，以及为什么未来的尝试可能会成功。

　　长期以来，氢一直被视为未来的能源载体。然而，在它在能源部门成为现实之前，必须开发有效的储存方法。选择这样一种材料，在低能源成本下，首先可以将氢注入其中，然后根据需要回收，最好是在类似于我们日常环境的典型条件下，这似乎是最佳解决方案。镁是一种很有前途的储氢材料。

　　然而，将其转化为氢化镁需要一种合适的高效催化剂，而这种催化剂尚未被发现。

　　来自Empa(位于d本多夫的瑞士联邦材料科学与技术实验室)、苏黎世大学化学系以及位于克拉科夫的波兰科学院(IFJ PAN)核物理研究所的一组科学家的工作表明，迄今为止多年失败的原因在于对氢注入过程中镁中发生的现象理解不完全。

　　氢作为一种能源被吸收的主要障碍是储存它的困难。在仍然罕见的氢动力汽车中，氢气被压缩在大约700个大气压下储存。这既不是最便宜的方法，也不是最安全的方法，而且它与效率几乎没有关系:一立方米中只有45公斤的氢。

　　同样的体积可以容纳70公斤的氢，如果它事先被冷凝的话。不幸的是，液化过程需要大量的能量，并且在整个储存过程中必须保持极低的温度，大约20开尔文。另一种选择可能是合适的材料，例如氢化镁，它可以在一立方米中容纳106公斤的氢。

　　氢在镁晶格中的分布可视化(蓝色):镁和氢化镁区域明显分开。电离后的镁原子以米黄色突出显示。来源:IFJ PAN / Z?

　　氢化镁是测试储氢能力最简单的材料之一。它在这里的含量可以达到7.6%(重量)。因此，氢化镁装置相当重，因此主要适用于固定应用。然而，值得注意的是，氢化镁是一种非常安全的物质，可以毫无风险地储存在地下室，而且镁本身是一种容易获得的廉价金属。

　　氢氧化镁的局限性

　　理论物理学家Zbigniew Lodziana教授(IFJ PAN)在《高级科学》(Advanced Science)杂志上发表了一篇文章，其中介绍了最新发现，他说:“将氢结合到镁中的研究已经进行了几十年，但还没有产生可以指望更广泛使用的解决方案。”

　　“问题的一个来源是氢本身。这种元素可以有效地穿透镁的晶体结构，但只有当它以单原子的形式存在时。为了从典型的氢分子中获得氢，需要一种足够高效的催化剂，使氢在材料中的迁移过程快速且能量可行。所以大家一直在寻找一种符合上述条件的催化剂，不幸的是没有多少成功。今天，我们终于知道为什么这些尝试注定要失败。”

　　Lodziana教授开发了一种新的模型，描述了镁与氢原子接触时发生的热力学和电子过程。该模型预测，在氢原子迁移过程中，材料中会形成局部的、热力学稳定的氢化镁团簇。在金属镁和氢化物之间的边界处，材料的电子结构发生了变化，正是这些变化在降低氢离子的迁移率方面起着重要作用。换句话说，氢化镁的形成动力学主要是由它与镁的界面现象决定的。到目前为止，在寻找有效的催化剂时还没有考虑到这种影响。

　　Lodziana教授的理论工作补充了瑞士d

　　本多夫实验室进行的实验。在超高真空室中，研究了纯镁溅射层中氢原子在钯上的迁移。测量仪器能够记录被研究样品的几个外层原子层状态的变化，这些变化是由新化合物的形成和材料电子结构的相关转变引起的。IFJ PAN研究员提出的模型可以让我们充分理解实验结果。

　　瑞士-波兰物理学家小组的成就不仅为寻找氢氧化镁的最佳催化剂铺平了道路，而且还解释了为什么以前发现的一些催化剂比预期的效率更高。

　　“有很多迹象表明，在镁及其化合物中储氢方面缺乏重大进展，仅仅是因为我们对这些材料中氢运输过程的理解不完全。几十年来，我们一直在寻找更好的催化剂，只是没有在我们应该寻找的地方。现在，新的理论和实验结果使我们能够再次乐观地思考进一步改进将氢引入镁的方法，”Lodziana教授总结道。

　　参考文献:Selim Kazaz, Emanuel Billeter, Filippo Longo, Andreas Borgschulte和Zbigniew的“为什么氢解离催化剂对镁的氢化不起作用”?odziana, 2023年12月9日，Advanced Science。DOI: 10.1002 / advs.202304603

　　在波兰方面，这项研究是由国家科学中心和瑞士国家科学基金会资助的。