镁基储氢材料具有储氢量高、镁资源丰富以及成本低廉等优点，被认为是极具应用前景的一类固态储氢材料。未来通过镁基固态储运氢技术的发展，将实现氢气的高安全、高效及大规模储运，助力中国氢能产业的发展。

一、多项政策支持储氢材料创新发展

2月21日，国家标准化管理委员会关于印发《2023年国家标准立项指南》，其中2023年重点支持关键基础材料等领域和方向推荐性国家标准制定，具体包括：高纯稀有金属材料、高品质特殊钢材、高性能陶瓷、高性能纤维材料、增材制造材料等关键基础材料标准。特种分离膜以及高性能稀土磁性、催化、储氢材料等标准。

前段时日，工信部等四部门曾联合发布《原材料工业“三品”实施方案》(下称《方案》)。《方案》在增品种、提品质和创品牌三方面，提出优化传统品种结构、强化科技创新能力、增强品牌培育能力等9大任务，以及原材料品种培优、原材料品质提升和原材料品牌建设3项重点工程。新材料产品方面，支持鼓励高温合金、航空轻合金材料、超高纯稀土金属及化合物、高性能特种钢、可降解生物材料、特种分离膜以及高性能稀土磁性、催化、光功能、储氢材料等关键基础材料研发和产业化。

高容量、高安全性、高可逆性的储氢材料研发势必是未来储氢材料发展的趋势。将未来的研究重点集中于具有高可逆性、高容量、高效催化加氢、常温常压下储存与运输、温和条件下可控催化脱氢等特点的储氢材料，必将推动氢能经济的早日实现。预计未来几年储氢材料市场规模将稳步增长，2027年我国储氢材料市场规模有望突破14.82亿元。

二、成本低、优点多，镁基储氢材料极具应用前景

镁基储氢材料是金属固态储氢材料中储氢密度最高的材料。随着近几年全球镁及镁合金的研究呈现爆发式增长，我国也已经成为全球重要的镁生产国、应用国和研究国，在国际上具有一定的技术优势。

那么，镁基储氢材料具体有哪些优势？首先，它具有储氢量高、镁资源丰富以及成本低廉等优点，被认为是极具应用前景的一类固态储氢材料。我国在镁资源方面非常有优势，全球大概90%的镁都是生产于中国，镁年产量占全球85%以上，原料来源丰富且成本低，不存在材料被“卡脖子”的问题。因此，镁系储氢合金适合用于氢气的规模储运应用场景，可用于氢冶金、规模储能、加氢站等应用场景的氢气储存与运输。

此外，镁的性能非常好，储氢密度非常高，可以实现长循环寿命。具体来看，镁储氢密度是气态氢的1000倍、液态氢的1.5倍。由于镁及镁金属是常温常压，所以安全性远高于气态和液态储氢。此外，镁储氢还可纯化氢气。据悉，镁固态储氢材料在储氢过程当中可以转化为99.999%的绿氢。镁本身也是绿色制氢材料，如果把镁和水相结合，1克镁相当于2升氢气，它的储氢率可以达到15.2%。

其次，用镁合金来储存氢的技术可以应用到交通领域，如汽车、摩托车等。普通汽车的油箱储油量相当于5公斤至6公斤的氢产生的能量，需要80公斤至90公斤的镁合金容器，这与普通油箱的重量差不多，但体积较小。用氢作为动力并不是通过燃烧氢来获得，而是把氢直接转化为电能，进而为汽车提供动力。汽油燃料的效率在20%-30%，而氢通过能源电池直接转换为电能，效率可达70%-80%。

目前国内外正在开发面向应用场景的Mg基固态储运氢技术，但技术水平仍处于产业化初期阶段，仍需解决材料的规模低成本制备、大容量储氢罐设计、高温余热耦合集成等技术，实现储氢合金的高效安全吸放氢。

三、Mg基储氢材料研究进展

目前针对Mg/MgH2热力学及动力学改性的主要途径包括合金化、添加催化剂和纳米化。

合金化

MgH2热力学性质稳定不易分解。Mg和Ni等其他金属元素可形成合金，可与Zn等其他金属元素形成合金或固溶体。合金化改性即通过Mg与其他合金元素形成金属间化合物或Mg基固溶体来提升体系的储氢性能，是一种提升Mg基储氢材料热力学性能的有效手段。一般地，MgH2的热分解产物为Mg和H2，而氢化态Mg合金的分解产物为更稳定的Mg基合金/固溶体和H2，从而改变了反应路径，降低了体系分解放氢所需要的理论能量

多种过渡金属元素（Fe、Co、Ni、Pd、Ag等）、部分主族元素（Si等）及稀土元素（La、Ga等）被用于MgH2合金化改性研究。其中Mg-Ni合金以其突出的储氢性能得到了广泛的研究。1968年，Reilly等利用熔炼法制备Mg2Ni，并在氢气氛围下氢化得到Mg2NiH4。测试结果表明，Mg2NiH4的放氢焓变为64.5kJ/mol H2，相比较纯Mg的75kJ/mol H2显著降低，这是由于Mg2NiH4中Ni—H的键能比Mg—H的键能更弱。与Ni类似，非金属Si可与Mg形成更稳定的Mg2Si相，在氢化条件下形成MgH2和Si，在热力学上大幅降低Mg基材料的吸氢焓值。不同Mg基储氢合金的储氢容量及形成焓如表1所示

由于Mg属于轻质金属，高比例重金属掺入合金化会大幅降低系统的储氢容量。此外，值得注意的是，并不是所有的合金化改性策略都可以降低体系的热力学焓值。

添加催化剂

氢分子在Mg表面的解离能较高，在MgH2晶格中的扩散速率慢，添加催化剂可以降低氢分子在Mg表面的解离能及扩散势垒，改善吸氢反应的动力学性能。同时，金属的外层电子与H价电子之间的强相互作用会削弱Mg—H键，从而改善Mg基储氢材料的放氢性能。因此，添加催化剂是提升Mg基储氢体系综合储氢性能的常用手段。

Mg基储氢材料体系的常见催化剂一般为过渡金属单质及其化合物（包括碳化物、氮化物、氧化物、卤化物等），常规的催化剂按元素分类主要包括Ti基、V基、Nb基、Fe基、Co基、Ni基等。1999年，Liang等对比了Ti、V、Mn、Fe、Ni等单质催化剂对MgH2放氢过程的影响，研究结果发现MgH2—Ti放氢动力学性能最为优异。类似地，Cui等利用湿法化学合成了一系列具有核壳结构的Mg-TM（TM =Ti、Nb、V、Co、Ni等）复合材料，结果表明氢化态复合物的放氢性能按下述趋势减弱：Mg-Ti>Mg-Nb>Mg-Ni>Mg-V>Mg-Co>Mg-Mo。在吸放氢过程中，Ti可以促进其表面的氢分子解离从而加速H元素进入基体，同时弱化Mg—H键，有利于Mg基储氢体系放氢。

Cui等通过在四氢呋喃溶液（THF）中球磨Mg与TiCl3，原位反应生成了Ti（0）、TiH2（2+）等多价态Ti物相，多价Ti共同作为电子转移的中间催化剂，促进了MgH2的分解（图9），大幅降低了MgH2的脱氢温度。Lan等合成在N掺杂的Nb2C表面负载Nb2O5的复合催化剂，其中活性催化相NbN和Nb2O5共同作用弱化了Mg—H的结合力，提供了更多的H原子扩散通道，初始放氢温度降至178℃，材料的循环稳定性明显提升。

为进一步提高催化剂的催化效率，一系列双金属甚至多金属的催化剂得到广泛开发以改善MgH2的储氢性能。2019年，Liu等开发出双向Co/Pd催化剂均匀负载在竹节状碳纳米管上的Co/Pd@BCNT，催化剂呈现出优异的催化性能。复合材料初始放氢温度降至198.9℃，同时实现了在较低温度下的吸氢，在250℃下、10s吸氢量达到6.68wt%。TEM、XPS等检测表明，在吸氢过程中，元素Pd加快了H在Pd和Mg原子界面的扩散；而在放氢的过程中，Mg2Co和Mg2CoH5之间的相互转变有效降低了扩散能垒从而促进H原子的释放。类似地，Nb-V、Ni-Cu、Nb-Ti等多种双金属催化剂得到广泛研究。

纳米化

当块体MgH2尺寸被减小至纳米级别时，材料的比表面积、表面能、晶界密度都将发生显著改变。高的表面能有利于氢分子的解离，纳米颗粒表面与H2反应的活性位点大量增加；由于尺寸的减小，H原子的扩散距离随之缩短，避免了H的长程扩散；大量的晶界为H原子的快速扩散提供了通道。因此，尺寸的纳米化可以同时调控MgH2的热力学和动力学性能。

四、Mg固态储氢系统研究进展及应用场景

Mg基储氢材料体系的质量储氢密度为4~7.6wt%，可以在常温常压下进行氢气的存储和运输。与高压气态储氢方式相比，固态储氢具有高储氢密度和高安全的优势，这也降低了对附属设备的要求。典型的固态储氢罐，主要包括固态储氢材料、壳体、气体管道及过滤器、鳍片、金属泡沫、加热管等强化传热介质，预置空余空间等。

由于镁基储氢材料在吸氢时会放出大量的热量，在放氢时又需要吸收大量热量，导致储氢容器吸/放氢过程中发生温度骤变的情况，从而限制了金属氢化物的吸/放氢动力学，进一步导致固态储氢容器的吸/放氢速率降低。因此，国内外许多研究人员针对吸/放氢过程中的热效应问题，对固态储氢系统的传热传质过程及其优化设计、数值模型等多方面展开了一系列研究。对于固态储氢系统的设计思路主要分为3种：（1）对固态储氢容器进行结构设计，优化储氢容器热管理系统；（2）提高固态储氢材料床体的热导率；（3）优化固态储氢容器吸放氢过程的操作条件。

固态储氢系统的设计方法主要分为实验方法和数值模拟方法。实验方法是指通过设计并制造一系列固态储氢系统实体，测量系统在不同实验条件下的流量、压强、测点温度等实验数据，进而根据实验数据进行固态储氢系统吸放氢性能的研究及固态储氢系统优化设计。实验方法可获得可靠的数据，但存在成本高、耗时长等缺点，其发展具有局限性。数值模拟是指通过偏微分方程和数学函数的形式表示储氢材料吸/放氢的热力学、动力学性能以及储氢系统中传热传质过程，进一步将方程变量耦合形成描述固态储氢容器吸/放氢过程的数学模型，并采用有限元等方法对数学模型进行求解，用于研究储氢系统吸放氢过程的方法。数值模拟方法具有成本低、效率高等优点，并且可以获得更加全面、直观的数据，逐渐成为目前进行固态储氢系统优化设计的主流方法。但是，目前发展的数学模型大多未考虑吸放氢过程的物性参数动态变化的情况，模拟结果难以直接用于大容量镁基固态储氢系统的优化设计。

在镁基固态储氢系统方面，法国McPhy公司在2010年前后开发了以Mg基合金为储氢介质的McStore储氢系统，单罐储氢量可达5kg。澳大利亚的Hydrexia公司在2015年设计出了基于Mg基合金的储运氢装备，单车储运氢量700kg，可用于氢气的大规模安全储运。上海交通大学与氢储（上海）能源科技有限公司合作研制出中国首个70kg级Mg基固态储氢装置原型（图12），并与宝武清洁能源有限公司合作开发了名为“氢行者”的“太阳能发电-电解水制氢-Mg基固态储/供氢”撬装式一体化氢能源系统，首次实现了Mg基储氢合金体系的示范化应用。

中国镁年产量占全球85%以上，原料来源丰富且成本低。因此，Mg系储氢合金适合用于氢气的规模储运应用场景，可用于氢冶金、规模储能、加氢站等应用场景的氢气储存与运输。目前国内外正在开发面向应用场景的Mg基固态储运氢技术，但技术水平仍处于产业化初期阶段，仍需解决材料的规模低成本制备、大容量储氢罐设计、高温余热耦合集成等技术，实现储氢合金的高效安全吸放氢。

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