Rare Met. 二維釩納米片一(yī)種改善MgH2儲氫性能的高效催化劑

【背景介紹】

<原文摘要>

氫化鎂（MgH₂）的儲氫容量高達7.6 wt%，而且鎂在地殼中(zhōng)資(zī)源豐富，同時具有無毒等優點，因此MgH₂是一(yī)種極具應用潛力的儲氫材料。然而，Mg/MgH₂體(tǐ)系在實際應用中(zhōng)存在熱穩定性高、吸附和解吸動力學緩慢(màn)等問題。本文采用一(yī)種簡便的濕化學球磨方法成功制備了二維的釩納米片（V_NS），并證明其對MgH₂的儲氫性能有很好的改善作用。例如，MgH₂+7 wt% V_NS複合材料在187.2℃時開(kāi)始釋放(fàng)氫氣，比不添加催化劑的MgH₂初始放(fàng)氫溫度低152 ℃。在300 ℃下(xià)，MgH₂+7wt%V_NS複合材料在10分(fēn)鍾内釋放(fàng)出6.3 wt%的氫氣，并且完全脫氫的樣品即使在室溫和3.2 MPa的氫壓下(xià)也能吸收氫氣。XRD和TEM結果證實金屬釩是促進MgH₂脫氫以及再加氫反應的催化單元。本文提供了一(yī)種合成具有優良催化性能二維釩納米片的簡便方法，這可能對未來設計和制備用于儲氫和其他能源相關領域的層狀催化劑有一(yī)定的指導意義。

<文章亮點>

1.利用一(yī)種濕化學球磨法制備了二維結構的釩納米片，并将其作爲催化劑引入到MgH₂儲氫材料

2.MgH₂+7 wt% V_NS複合材料可以在187.2 ℃釋放(fàng)氫氣，比不摻雜(zá)催化劑的MgH₂初始放(fàng)氫溫度低152 ℃.

3.MgH₂+7 wt% V_NS複合材料在室溫下(xià)開(kāi)始吸氫，吸氫活化能降低至39.74±3.90 kJ/mol.

【内容簡介】

日前，江蘇科技大(dà)學能源與動力學院的張劉挺副教授課題組在Rare Metals上發表了題爲“Two-dimensional vanadium nanosheets as a remarkably effective catalyst for hydrogen storage in MgH₂”的研究文章， 利用濕化學球磨法制備的二維釩納米片來改善MgH₂的吸放(fàng)氫動力學性能。

<簡介>

文章采用一(yī)種濕化學球磨法制備了二維的釩納米片，微結構測試結果發現釩納米片的厚度約爲100 nm，将釩納米片引入到MgH₂儲氫材料中(zhōng)後MgH₂的起始放(fàng)氫溫度從340 ℃降低到187.2 ℃。另外(wài)在300 ℃恒溫條件下(xià)，摻雜(zá)7 wt%釩納米片的MgH₂可以在10分(fēn)鍾内釋放(fàng)出6.4 wt%的氫氣，然而不摻雜(zá)催化劑的MgH₂在該條件下(xià)幾乎不釋放(fàng)氫氣。升溫吸氫實驗表明複合材料在 室溫下(xià)就開(kāi)始吸氫，吸氫活化能降低至39.74±3.90 kJ/mol.

【圖文解析】

圖1 二維釩納米片的制備流程圖

圖2(a) 釩納米片的XRD圖，圖2(b) 釩納米片的TEM圖，圖2(c) 釩納米片的HRTEM圖，圖2(d) 釩納米片的SAED圖

圖3(a) MgH₂摻雜(zá)不同比例釩納米片升溫放(fàng)氫圖，圖3(b) MgH₂摻雜(zá)不同比例釩納米片的初始放(fàng)氫溫度以及放(fàng)氫量柱狀圖，圖3(c) 制備的MgH₂在不同溫度下(xià)恒溫放(fàng)氫圖，圖3(d) MgH₂+7 wt% V_NS在不同溫度下(xià)恒溫放(fàng)氫圖

圖4(a) MgH₂+7 wt% V_NS在不同升溫速率下(xià)DSC曲線圖，圖4(b) 用Kissinger法計算的表觀活化能

圖5(a)制備的MgH₂與MgH₂+7 wt% V_NS升溫吸氫圖，圖5(b) MgH₂在不同溫度下(xià)恒溫吸氫圖，圖5(c) MgH₂+7 wt% V_NS在不同溫度下(xià)恒溫吸氫圖，圖5(d) 計算的吸氫活化能圖

圖6(a) MgH₂+7 wt% V_NS 循環吸放(fàng)氫圖，圖6(b) MgH₂+7 wt% V_NS 循環吸放(fàng)氫容量柱狀圖，圖6(c) MgH₂與MgH₂+7 wt% V_NS在各狀态下(xià)XRD圖，圖6(d) MgH₂+7 wt% V_NS在20次循環放(fàng)氫後XRD圖

圖7(a) MgH₂+7 wt% V_NS 複合材料TEM圖，圖7(b)，圖7(c) MgH₂+7 wt% V_NS 複合材料HRTEM圖，圖7(d) STEM-HAADF圖，圖7(e)，圖7(f) 能譜圖

這些結果表明通過濕化學球磨法成功制備的二維釩納米片對于改善MgH₂的吸放(fàng)氫動力學性能具有顯著的催化效果。

【全文小(xiǎo)結】

1.利用一(yī)種簡便的濕化學球磨法制備了二維的釩納米片；

2.釩納米片可顯著提高MgH₂的吸放(fàng)氫速率；

3.合成釩納米片這一(yī)方法可爲設計和制備儲能領域相關的高效催化劑提供。

【文獻鏈接】

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

【作者簡介】

張劉挺，男，江蘇科技大(dà)學能源與動力學院副教授。2011年本科畢業于浙江大(dà)學材料科學與工(gōng)程專業，2016年在浙江大(dà)學獲得材料學博士學位。目前主要從事高容量固态儲氫材料的制備表征、催化改性與儲氫機理研究。發表論文30餘篇，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；擔任《Rare Metals》和《稀有金屬》雜(zá)志(zhì)青年編委。