缺乏安全高效的儲氫裝置是氫能大規模應用的主要瓶頸。具有高理論重量和體積氫密度的輕質金屬氫化物可逆儲氫是一種理想的溶液，但需要極高的工作溫度和大的能量輸入。本文以MgH
2為例，通過耦合均勻分布在MXene納米片表面的銅納米顆粒的光熱效應和催化作用，實現了一種太陽能驅動的金屬氫化物可逆儲氫的概念(Cu@MXene)。Cu@MXene的光熱效應，加上MgH
2導熱性能差所導致的“熱隔離”作用，有效地提高了MgH
2在太陽照射下的溫度。另一方面，MXene表面由MgH
2還原而原位形成的Ti和TiHx物種的“氫泵”效應，有效地緩解了動力學障礙，從而降低了MgH
2可逆的氫氣吸附和解吸所需的操作溫度。基于Cu@MXene的光熱和催化作用的結合，以太陽照射作為唯一的能源，MgH
2經過30次循環后可獲得5.9 wt.%的可逆儲氫能力。
圖1 (a) Cu@MXene合成的示意圖。(b)合成的Cu@MXene和MXene的XRD圖譜和(c) XPS測量光譜。(d) Cu@MXene的高分辨率Cu 2p XPS譜。(e) Cu@MXene的SEM圖像。 (f) Cu@MXene中銅納米顆粒的TEM圖像。(g) Cu@MXene的EDS元素映射圖像。
圖2. (a) Cu@MXene和MXene的UV-vis-NIR吸收光譜。(b) Cu@MXene和MXene照射120 s后觀察到的溫度與光強的關系。(c)在0.4 W/cm
2光強下，紅外熱成像儀記錄的Cu@MXene和MXene表面溫度的原位檢測。(d) FDTD模擬局域電場增強曲線。
圖3 (a) MgH
2分別在Cu@MXene和MXene催化下在240℃的等溫脫氫曲線。(b) MgH
2在Cu@MXene催化下在不同溫度下的等溫脫氫曲線。(c) MgH
2分別在Cu@MXene和MXene催化下在250℃的等溫加氫曲線。(d)不同溫度下Cu@MXene催化MgH
2的等溫加氫曲線。(e)分別計算Ti, TiH和TiH
2催化下MgH
2釋放一個H
2分子的能量分布。
圖4. (a)溫度對光照的響應;(b) Cu@MXene和MXene催化下MgH
2對應的H
2解吸曲線，其中包括純MgH
2作為比較。(c)溫度對光照的響應;(d)不同光照強度下Cu@MXene催化MgH
2的H2解吸曲線。(e)使用4 W/cm
2的光強度在Cu@MXene催化下MgH
2的循環H
2解吸曲線。
圖5 (a)基于Cu@MXene的光熱和催化效應的太陽能驅動的MgH
2可逆儲氫示意圖。(b)表面溫度，(c) uv - visi - nir吸收光譜，(d)在2.61 W/cm
2的光強下，Cu@MXene以不同比例催化MgH
2的H
2解吸度的比較。
相關科研成果由復旦大學材料科學系Xuebin Yu等人于2022年發表在Advanced Materials (doi: 10.1002/adma.202206946)上。原文：Solar-Driven Reversible Hydrogen Storage。
轉自《石墨烯研究》公眾號
