MgH2NipCNF纳米复合材料的制备及其储氢性能研究

　　上海交通大学邹建新：MgH2/Ni@pCNF纳米复合材料的制备及其储氢性能研究
　　DOI: 10.1016/j.cej.2022.134701
　　氢化镁（MgH2）是最有前途的储氢材料之一，但高解吸温度和缓慢的动力学阻碍了其进一步商业化。本研究首先制备了一种新型MOF衍生一维氮掺杂分层多孔碳纳米纤维（pCNF），并将其用作MgH2/Ni纳米粒子（NPs）自组装的支架。与市售MgH2（Ea=142.27kJ/mol H2，Tonset=350 ）相比，所得MgH2/Ni@pCNF纳米复合材料显示出较快的解吸动力学（Ea=96.58kJ/mol H2）和较低的起始解吸温度（Tonset=200 ）。此外，可在低至100 的温度下于120分钟内实现2.2wt%容量的氢气吸附。在300 下进行10次完整的再/脱氢循环后，复合材料表现出优异的循环稳定性，容量保持率在95.4%以上。结合XPS和XRD对解吸过程的原位HRTEM观察表明，该材料优异的储氢特性可归因于pCNF中Mg/MgH2的纳米限制、N原子的给电子能力和Mg2Ni/Mg2NiH4的＂氢泵＂功能的协同效应。使用MOF衍生1D pCNF作为纳米颗粒载体的策略为制备性能增强的纳米结构能源材料提供了一条新的途径。
　　图1.（a）pCNF的合成过程示意图；（b）ZIF-8、Te NWs、Te@ZIF-8和pCNF的XRD图谱；（c）pCNF和Z8-1000的N2吸附/解吸等温线和（d）孔径分布。
　　图2.（a）pCNF和Z8-1000的拉曼光谱；（b-d）pCNF的XPS光谱：（b）pCNF的全光谱；pCNF的（c）C1s和（d）N1s高分辨率XPS。
　　图3.（a）Te NWs、（b）Te@ZIF-8和（c）pCNF的TEM照片；（d）pCNF的BF图像；（e）pCNF的HAADF图像和相应的元素映射。
　　图4.（a）MgH2@pCNF的合成过程示意图；（b-e）合成MgH2/Ni@pCNF的TEM观察结果：（b）TEM图像和（c）相应的SAED图谱；（d）HRTEM图像；（e）HAADF图像和相应的元素映射。（b）中的插图显示了相应的MgH2粒度分布。
　　图5.MgH2/Ni@pCNF复合材料的XRD图谱。
　　图6.（a）MgH2/Ni@pCNF在不同温度下的等温氢化曲线，以及（b）相应的lnk与1000/T曲线；（c）200 下的等温氢化曲线比较；（d）MgH2/Ni@pCNF在不同温度下的等温脱氢曲线；（e）MgH2/Ni@pCNF和市售MgH2的DSC曲线和（f）相应的Kissinger曲线；（g）250 下的等温脱氢曲线比较；（h）MgH2/Ni@pCNF粉末和（i）MgH2/Ni@pCNF颗粒的光学照片。
　　图7.MgH2/Ni@pCNF的循环容量保持率随循环次数的变化。插图显示10次循环前后样品的HAADF图像和相应的元素映射。
　　图8.氢化MgH2/Ni@pCNF复合材料的原位TEM分析：（a）HAADF图像（用红色虚线标记的正方形表示受辐射的区域）；（b）BF图像；（c）C、N、Mg和Ni的相应元素图谱；（d-g）HRTEM图像显示了电子束辐照诱导氢脱附后微观结构的演变。
　　图9.MgH2/Ni@pCNF纳米复合材料储氢性能增强的示意图。