通訊單位：北京航空航天大學

DOI：https://doi.org/10.1038/s41565-020-00818-8

研究背景

氫儲存是氫經濟中的關鍵環節，對燃料電池汽車（FCV）至關重要，FCV使用1至3級的壓縮氫。體積和重量儲存密度以及安全性方面, 固態儲氫材料是解決這些問題的有前途的解決方案。對於車載應用，儲氫材料應滿足以下綜合要求：重量和體積容量高，儲存穩定性和迴圈穩定性高、動力學快、接近環境的工作條件、安全性高且成本低。儲氫材料是利用氫能的關鍵。然而，當前的材料幾乎不能滿足實際應用的儲存容量和可操作性要求。

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本文報告了基於氫氟酸未完全腐蝕的MXene（即多層TiCT（T為官能團）疊層）結構的儲氫效能和相關機理的進展，該疊層結構在室溫和60 bar下顯示出前所未有的氫氣吸收，氫氣吸收達到8.8wt％。即使在室溫環境條件下（25 ℃，氣壓1bar），Ti2CTx結構仍然能夠吸收約4wt％的氫。儲氫在材料中穩定且可逆，並且氫氣釋放可透過低於95°C的壓力和溫度進行控制。該儲存機理是基於在材料的亞奈米級層間空間中的奈米泵效應輔助的弱化學吸附效應。這種儲存方法為設計實用的儲氫材料提供了策略。

圖文解析

▲圖1 | Ti2CTx的結構表徵

要點：

Ti2CTx結構的製備方法核心：透過在12％HF溶液中蝕刻Ti2AlC 8小時來製備最佳化的Ti2CTx疊層結構。圖1a中的插圖顯示了從Ti2AlC前體中去除了大部分中間層Al原子後的Ti2CTx的多層結構。

▲圖2 | Ti2CTx的儲氫效能示意圖

要點：

● 在一個活化迴圈後，Ti2CTx在第二和第三迴圈中的儲氫量分別為8.14和7.24 wt％，然後在隨後的三個迴圈中保持在7.5 wt％左右（圖2b）。

▲圖3 | 決定Ti2CTx中氫儲存的關鍵結構因素

要點：

氫吸附強度隨層間距離的變化（如圖3a，b所示），適當的層間距離對於實現適度的氫-主體相互作用具有重要作用。

▲圖4 | Ti2CTx中儲氫的機理分析

總結

本論文展示了一種室溫儲氫材料，即未完全腐蝕的TiCT結構及其儲存機理。在50-60 bar的壓力下，可逆儲氫能力達到8 wt％以上，是以前報道的在相同壓力下室溫儲氫材料的兩倍並且氫釋放是快速且可控的。此外，TiCT在氫的吸收/釋放方面顯示出良好的迴圈能力。根據本文的調查，狹窄的層間距離和–F官能團是Ti2CTx中儲氫的關鍵結構引數。它們誘導了納米泵效應輔助的弱化學吸附效應，從而在氫和Ti2CTx之間產生了適當的橋接作用，從而使Ti2CTx薄板的層間空間中的大量可逆氫儲存在接近環境的條件下。本文希望這種儲氫方法將適用於各種奈米材料，尤其是具有大量亞奈米孔和可化學修飾內表面的奈米材料。

原文連結：

https://www.nature.com/articles/s41565-020-00818-8

作者簡介

水江瀾

北京航空航天大學，材料科學與工程學院，教授，博士生導師。本科就讀於天津大學化工學院，先後於中國科學技術大學（2006年）和美國羅切斯特大學（2010年）獲雙博士學位，在美國阿貢國家實驗室（2010-2013年）和凱斯西儲大學（2013-2014年）進行博士後研究工作。研究領域包括電催化劑、儲氫材料、質子膜燃料電池、鋰-空氣電池、鋰離子電池。迄今已發表SCI論文60餘篇，包括Nat. Catal., Nat. Commun., Sci. Adv., PNAS, J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Angew. Chem. Int. Ed., ACS nano, Nano Lett.等國際著名期刊，高被引論文8篇；獲2016 R&D 100獎；授權美國發明專利一項。