Rare Met. 二维钒纳米片一种改善MgH2储氢性能的高效催化剂

【背景介绍】

<原文摘要>

氢化镁（MgH₂）的储氢容量高达7.6 wt%，而且镁在地壳中资源丰富，同时具有无毒等优点，因此MgH₂是一种极具应用潜力的储氢材料。然而，Mg/MgH₂体系在实际应用中存在热稳定性高、吸附和解吸动力学缓慢等问题。本文采用一种简便的湿化学球磨方法成功制备了二维的钒纳米片（V_NS），并证明其对MgH₂的储氢性能有很好的改善作用。例如，MgH₂+7 wt% V_NS复合材料在187.2℃时开始释放氢气，比不添加催化剂的MgH₂初始放氢温度低152 ℃。在300 ℃下，MgH₂+7wt%V_NS复合材料在10分钟内释放出6.3 wt%的氢气，并且完全脱氢的样品即使在室温和3.2 MPa的氢压下也能吸收氢气。XRD和TEM结果证实金属钒是促进MgH₂脱氢以及再加氢反应的催化单元。本文提供了一种合成具有优良催化性能二维钒纳米片的简便方法，这可能对未来设计和制备用于储氢和其他能源相关领域的层状催化剂有一定的指导意义。

<文章亮点>

1.利用一种湿化学球磨法制备了二维结构的钒纳米片，并将其作为催化剂引入到MgH₂储氢材料

2.MgH₂+7 wt% V_NS复合材料可以在187.2 ℃释放氢气，比不掺杂催化剂的MgH₂初始放氢温度低152 ℃.

3.MgH₂+7 wt% V_NS复合材料在室温下开始吸氢，吸氢活化能降低至39.74±3.90 kJ/mol.

【内容简介】

日前，江苏科技大学能源与动力学院的张刘挺副教授课题组在Rare Metals上发表了题为“Two-dimensional vanadium nanosheets as a remarkably effective catalyst for hydrogen storage in MgH₂”的研究文章， 利用湿化学球磨法制备的二维钒纳米片来改善MgH₂的吸放氢动力学性能。

<简介>

文章采用一种湿化学球磨法制备了二维的钒纳米片，微结构测试结果发现钒纳米片的厚度约为100 nm，将钒纳米片引入到MgH₂储氢材料中后MgH₂的起始放氢温度从340 ℃降低到187.2 ℃。另外在300 ℃恒温条件下，掺杂7 wt%钒纳米片的MgH₂可以在10分钟内释放出6.4 wt%的氢气，然而不掺杂催化剂的MgH₂在该条件下几乎不释放氢气。升温吸氢实验表明复合材料在 室温下就开始吸氢，吸氢活化能降低至39.74±3.90 kJ/mol.

【图文解析】

图1 二维钒纳米片的制备流程图

图2(a) 钒纳米片的XRD图，图2(b) 钒纳米片的TEM图，图2(c) 钒纳米片的HRTEM图，图2(d) 钒纳米片的SAED图

图3(a) MgH₂掺杂不同比例钒纳米片升温放氢图，图3(b) MgH₂掺杂不同比例钒纳米片的初始放氢温度以及放氢量柱状图，图3(c) 制备的MgH₂在不同温度下恒温放氢图，图3(d) MgH₂+7 wt% V_NS在不同温度下恒温放氢图

图4(a) MgH₂+7 wt% V_NS在不同升温速率下DSC曲线图，图4(b) 用Kissinger法计算的表观活化能

图5(a)制备的MgH₂与MgH₂+7 wt% V_NS升温吸氢图，图5(b) MgH₂在不同温度下恒温吸氢图，图5(c) MgH₂+7 wt% V_NS在不同温度下恒温吸氢图，图5(d) 计算的吸氢活化能图

图6(a) MgH₂+7 wt% V_NS 循环吸放氢图，图6(b) MgH₂+7 wt% V_NS 循环吸放氢容量柱状图，图6(c) MgH₂与MgH₂+7 wt% V_NS在各状态下XRD图，图6(d) MgH₂+7 wt% V_NS在20次循环放氢后XRD图

图7(a) MgH₂+7 wt% V_NS 复合材料TEM图，图7(b)，图7(c) MgH₂+7 wt% V_NS 复合材料HRTEM图，图7(d) STEM-HAADF图，图7(e)，图7(f) 能谱图

这些结果表明通过湿化学球磨法成功制备的二维钒纳米片对于改善MgH₂的吸放氢动力学性能具有显著的催化效果。

【全文小结】

1.利用一种简便的湿化学球磨法制备了二维的钒纳米片；

2.钒纳米片可显著提高MgH₂的吸放氢速率；

3.合成钒纳米片这一方法可为设计和制备储能领域相关的高效催化剂提供。

【文献链接】

Lu, ZY., Yu, HJ., Lu, X. et al. Two-dimensional vanadium nanosheets as a remarkably effective catalyst for hydrogen storage in MgH2. Rare Met. (2021). https://doi.org/10.1007/s12598-021-01764-7

【作者简介】

张刘挺，男，江苏科技大学能源与动力学院副教授。2011年本科毕业于浙江大学材料科学与工程专业，2016年在浙江大学获得材料学博士学位。目前主要从事高容量固态储氢材料的制备表征、催化改性与储氢机理研究。发表论文30余篇，包括Journal of Magnesium and Alloys、Journal of Materials Chemistry A、Applied Surface Science、Journal of Physical Chemistry C、International Journal of Hydrogen Energy、Journal of Alloys and Compounds等；担任《Rare Metals》和《稀有金属》杂志青年编委。