镁基储氢材料的动力学：强化方法及机理

综述概要

镁基储氢材料由于具有储氢量大、价格低廉、资源储量丰富等特点成为目前很有发展前景合金储氢材料之一。然而，镁合金材料吸放氢动力学缓慢、0.1MPa下放氢温度高和储氢容量衰退快的问题，限制了其在燃料电池车载储氢中的应用。为了改善镁基储氢合金的热力学和动力学等，世界各国研究者们进行了一系列的研究并获得了很多重要的成果。

上海大学李谦教授与澳门大学邵怀宇教授等总结了近年来镁基储氢材料的合成，改善合金材料的吸放氢动力学和热力学的方法，并运用动力学模型来揭示镁合金材料的氢化/脱氢动力学机制；同时分析了传统动力学方法的缺陷、介绍了新的动力学模型使其能更好更准确的理解镁基合金材料的吸放氢行为。

• 强化镁基储氢材料动力学的方法有：无定形化、纳米化、添加催化剂和采用外部能量场效应。纳米晶的合成方法主要有机械合金化法、薄膜合成法、催化化学溶液合成法、氢等离子体法、氢化燃烧法和纳米限域法等；添加催化剂主要是氧化物、过渡金属、卤化物等。
• 镁基储氢材料的吸氢热力学不因尺寸降低至纳米尺度（5~300 nm）而改变。
• 储氢过程是气-固相反应，从反应机理看，扩散控速反应模型和形核-生长-碰撞反应模型是最常用的两类动力学模型。扩散控速模型包括Jander模型、Ginstling–Broundshtein、Chou模型等；形核-生长-碰撞反应模型包括经典的Johnson–Mehl–Avrami–Kolomogorov (JMAK)模型和形核自催化JMAK模型。

文章发表

该综述发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2019年第7卷第1期：

[1] Q. Luo, J. Li, B. Li, B. Liu, H. Shao, Q. Li, Kinetics in Mg-based hydrogen storage materials: Enhancement and mechanism, Journal of Magnesium and Alloys 7(1) (2019) 58-71.

全文阅读

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221395671830077X

中文摘要

镁基合金材料由于能达到2600 Wh/kg或3700Wh/L的高能量密度而得到广泛研究于储氢应用。但是，镁基合金材料吸放氢动力学缓慢以及达到0.1 MPa氢平衡压力的放氢温度高限制了其在燃料电池车载储氢中的应用。在过去的几十年间，研究者们已经通过很多方法（如形成无定形或纳米尺寸的颗粒，添加催化剂和利用外部能量场等）来改善Mg/MgH2的氢化/脱氢动力学。但是，哪一种方法更有效地改善镁基合金材料的吸放氢动力学以及他们作用的内在机制也是众说纷纭。通过动力学模型可以有效地揭示镁基合金的氢化/脱氢动力学机制，但研究人员尚未完全了解一些最近提出的具有物理意义和简单分析方法的模型。因此，本文着重于镁基储氢材料动力学的增强方法并介绍新的动力学模型。

Abstract

Mg-based materials have been intensively studied for hydrogen storage applications due to their high energy density up to 2600 Wh/kg or 3700 Wh/L. However, the Mg-based materials with poor kinetics and the necessity for a high temperature to achieve 0.1 MPa hydrogen equilibrium pressure limit the applications in the onboard storage in Fuel cell vehicles (FCVs). Over the past decades, many methods have been applied to improve the hydriding/dehydriding (H/D) kinetics of Mg/MgH2 by forming amorphous or nanosized particles, adding catalysts and employing external energy field, etc. However, which method is more effective and the intrinsic mechanism they work are widely differing versions. The hydrogenation and dehydrogenation behaviors of Mg-based alloys analyzing by kinetic models is an efficient way to reveal the H/D kinetic mechanism. However, some recently proposed models with physical meaning and simple analysis method are not known intimately by researchers. Therefore, this review focuses on the enhancement method of kinetics in Mg-based hydrogen storage materials and introduces the new kinetic models.

来源： JMA_CCMg