大连化物所陈萍研究员团队: 碱(土)金属在储氢材料设计开发中的作用

近日，中科院大连化物所陈萍研究员团队的AMR评述文章“The Roles of Alkali/Alkaline Earth Metals in the Materials Design and Development for Hydrogen Storage”在线发表，从材料设计、合成表征、性能测试、机理阐释等方面论述了课题组自行开发的氨基化合物-氢化物储氢复合体系、金属氨基硼烷和金属有机氢化物三类储氢材料。欢迎感兴趣的读者提问交流。

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文章内容简介

氢气的存储主要对应于固定式和移动式两种应用场景，尤其是作为燃料电池车载的移动式储氢技术，须具备体积小、储氢容量大、吸放氢条件温和、加氢速度快、循环性好、安全性高和成本低等特点。然而高效储氢材料的缺乏是制约氢能大规模应用的瓶颈。将氢以化学吸收方法存储于固/液态材料中则提供了一种安全高效的解决方案。

这篇Account总结了本课题组近20年在化学储氢材料研究的进展。作者以碱（土）金属对氢化物储氢材料的调变作用为主线，对课题组自行开发的氨基化合物-氢化物储氢复合体系、金属氨基硼烷和金属有机氢化物三类储氢材料进行了论述。碱（土）金属取代氨（NH3）分子中的部分氢，可生成（亚）氨基化合物，将此化合物与金属氢化物复合，首创了氨基化物-氢化物复合储氢材料体系（Nature 2002）。该体系可以通过调变金属种类优化储放氢的热力学、动力学性质。该类材料已成为储氢研究领域的一个重要分支。通过将碱（土）金属阳离子取代氨硼烷（NH3BH3）中Hδ+，开发了系列金属氨基硼烷储氢新材料（Nat. Mater. 2008），该材料含氢量高，放氢温度较低，克服了氨硼烷放氢过程中动力学阻力大、副产物多等缺点。同样利用金属取代有机物中活泼氢，研制出金属有机氢化物储氢材料（Angew. Chem. 2019），利用金属的供电子性质，有效地调节了有机物吸放氢热力学性质，克服了高储氢容量和适宜热力学不可兼得的难题。在对上述三类材料的论述中，作者分别从材料设计、合成表征、性能测试、机理阐释等方面进行了分析与讨论。同时作者对化学储氢材料未来的发展方向进行了探讨与展望，希望对本领域的科研人员有所启发。

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AMR：请问您选择该领域的初心是？

作者团队：储氢是一个世界性难题，非常需要有志于此研究的青年学者们的努力。而在二十年前，却是由于“误操作”和“误判”，历经曲折才使得我们发现氨基化合物-氢化物这一新型的储氢材料体系。随着研究的深入和材料的拓展，我们越发体会到这些氢化物的魅力：高能、多变、丰富，神秘。

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AMR：请问您对该领域有何种发展愿景？

作者团队：前边我们提到，理想的储氢材料需要具备储氢容量大、吸放氢条件温和、加氢速度快、循环性好和成本低等特点，开发难度非常大，是世界性的难题。但是如果这样的材料开发成功，将会改变氢能应用的现状，加速氢能应用推广。氢将会像现有的石油、天然气、电力一样，成为生活中常见的能源形式。氢能的普及将有利于减排二氧化碳、缓解环境污染，让我们的生活环境变得更加绿色而健康。

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AMR：请和大家分享一下

这个领域可能会出现的研究机会？

作者团队：储氢研究已有半个多世纪的发展，人们开发出了多种多样的新材料，也历经了储氢研究的高潮与低谷。而储氢研究挑战非常艰巨，一方面，需要对现有的材料进行性能优化，而更重要的是发展全新的材料，突破储氢瓶颈。我们认为通过诸如物理储氢和化学储氢的耦合、有机和无机储氢材料的结合、外场（电、磁、微波等）驱动的加氢脱氢过程等，可能会对本领域带来发展契机。

我们近期研发的金属有机氢化物材料，是由有机阴离子和金属阳离子组成，种类丰富，性质多变、亦有成本低的优势。更重要的是，它兼具高储氢容量和优异的热力学性质（储氢容量大于5.0wt%，反应脱氢焓变介于25-35 kJ/mol-H2之间），这两项关键参数是之前所开发的储氢材料所欠缺的，是非常具有前景的一类材料。然而金属有机氢化物材料受限于较高的动力学阻力，加氢脱氢实施困难，亟需开发高效的催化剂。

氢化物具有高能量、强还原性、高活性等特征，可在储氢、储热、离子传导、超导及化学转化中发挥特殊作用。开拓氢化物的新功能、新应用也会是十分有意义的研究课题。