Ni−25%X 固溶体掺杂 MgH2 对储氢性能的影响

Ni−25%X 固溶体掺杂 MgH2 对储氢性能的影响

10.1016/S1003-6326(22)65819-9

制备Ni−25%X（X=Fe、Co、Cu，摩尔分数）固溶体，通过高能球磨将其掺杂到MgH2中。MgH2/Ni−25%X复合材料的起始放氢温度均比原始研磨MgH2降低了90 ℃左右。Ni−25%Co固溶体的催化效果最好。研磨MgH2/Ni−25%Co复合材料在300 ℃下10 min释放出5.19 wt.%的氢气，而研磨原始MgH2仅释放出1.78 wt.%的氢气。更重要的是，脱氢后的MgH2/Ni−25%Co复合材料在275 ℃下3 min吸收了5.39 wt.%的氢气。MgH2/Ni-25%Co优异的氢吸附动力学可以归因于原位生成的Mg2Ni(Co)化合物的实际催化效果。 第一性原理计算表明，掺杂过渡金属原子后，Mg/MgH2体系的吸氢/放氢能垒明显降低，很好地解释了镍基固溶体催化MgH2提高吸氢性能的原因。

图1 原始MgH2及磨削后MgH2/Ni−25%X复合材料的XRD谱

图2 纯MgH2和MgH2/Ni−25%X复合材料在3℃/min升温速率下球磨后的TPD曲线

图 3 300°C（a、b）、275°C（c、d）和 250°C（e、f）下研磨原始 MgH2 和 MgH2/Ni-25%X 复合材料的氢吸收（a、c、e）和解吸（b、d、f）动力学。

图4 在（a）原始MgH2(110)和（b）过渡金属X掺杂的MgH2(110)表面上H2复合的优化初始态（IS）和最终态（FS）模型。

图 5 针对 H2 在 (a) 原始 Mg (0001) 和 (b) 过渡金属 X 掺杂 Mg (0001) 表面解离的优化初始状态 (IS) 和最终状态 (FS) 模型。

图 6 （a）原始和（b）过渡金属（Fe、Co、Ni、Cu）掺杂的 MgH2（110）表面和掺杂的 Mg（0001）表面的价电荷密度

综上所述

（1）所制备的Ni−25%X（X=Fe，Co，Cu）固溶体与MgH2不会发生反应生成新相；

(2)与磨削后的原始MgH2相比，MgH2/Ni−25%X（X=Fe，Co，Cu）的起始放氢温度降低了约90 ℃，且Ni−25%Co固溶体对MgH2放氢动力学性能的催化效果最好；

(3) MgH2/Ni−25%Co优异的氢吸附动力学应归因于原位生成的Mg2Ni(Co)化合物在氢吸附/放吸过程中的实际催化作用。均匀分布的Mg2Ni(Co)相显著促进了氢分子的解离和氢原子与Mg/MgH2的复合；

(4)第一性原理计算表明，掺杂过渡金属原子（Fe、Co、Ni、Cu）后，Mg(0001)/MgH2(110)表面H2解离与复合的能垒显著降低，MgH2(110)表面能隙的降低和Mg(0001)表面表面态的增强进一步解释了Ni基固溶体的潜在催化机理。