氫能的廣泛應(yīng)用面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的安全性、效率和成本。在眾多金屬硼氫化物中，LiBH4以其18.5 wt.%的氫含量和121 kg H2/m3的體積密度，成為備受矚目的高效固態(tài)氫儲(chǔ)存材料。但是，LiBH4脫氫反應(yīng)后產(chǎn)生的B和LiH對(duì)氫氣的反應(yīng)性非常低，導(dǎo)致硼氫化物的循環(huán)再生需要依賴(lài)于高溫和高壓等嚴(yán)苛環(huán)境，極大限制了其在可逆儲(chǔ)氫領(lǐng)域的應(yīng)用。

面對(duì)這一挑戰(zhàn)，由浙江大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)等機(jī)構(gòu)組成的研究團(tuán)隊(duì)在《自然納米技術(shù)》上發(fā)表了他們的研究成果。他們著眼于硼納米簇的表面活性位點(diǎn)，闡明了氫氣（H2）需要先分解成氫原子，并在低配位硼位點(diǎn)形成硼-氫（B-H）鍵的重要過(guò)程。基于這一發(fā)現(xiàn)，研究者們構(gòu)建了一個(gè)復(fù)合體系，該體系由大約10納米的LiBH4納米顆粒和大約3納米的鎳催化簇組成，這一體系使得脫氫后的產(chǎn)物硼和氫化鋰（B/LiH）能在30°C和100 bar的氫氣壓力下重新氫化，為低溫下硼基儲(chǔ)氫材料的可逆再生開(kāi)辟了新途徑。

LiBH4面臨的挑戰(zhàn)并非儲(chǔ)氫能力，而是其再生成過(guò)程。

LiBH4在儲(chǔ)氫能力上具有顯著優(yōu)勢(shì)，然而其應(yīng)用的瓶頸并非在于初次釋放氫氣，而是在于釋放氫氣后，B/LiH難以再次與氫氣反應(yīng)生成LiBH4。通常情況下，LiBH4需要在超過(guò)400℃的高溫條件下才能釋放氫氣，而將LiH和B重新轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)iBH4則需要更為苛刻的條件，如600°C和350 bar的氫氣壓力。這項(xiàng)研究的關(guān)鍵性進(jìn)展在于闡明了B難以與氫氣反應(yīng)的原因，以及如何促進(jìn)B-H鍵的重新形成。

● 研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，H2分子不容易直接與B團(tuán)簇發(fā)生有效反應(yīng)；形成B-H鍵的必要條件是H2首先分解為單個(gè)H原子。

● B團(tuán)簇表面低配位的Bspike原子是氫原子吸附和B-H鍵形成的關(guān)鍵活性區(qū)域。

● 隨著B(niǎo)團(tuán)簇體積的減小，Bspike原子所占的比例相應(yīng)增加；將B團(tuán)簇細(xì)化至納米級(jí)別，對(duì)于增強(qiáng)B/LiH體系的再氫化活性至關(guān)重要。

圖1. 理論計(jì)算展示了硼團(tuán)簇中B尖峰活性位點(diǎn)以及尺寸對(duì)氫化活性的影響。

從30°C開(kāi)始的氫化過(guò)程實(shí)現(xiàn)了高容量循環(huán)。

基于上述理解，研究者構(gòu)建了nano-LiBH4@30Ni層級(jí)納米結(jié)構(gòu)：大約10納米的LiBH4基礎(chǔ)顆粒被大約3納米的Ni催化團(tuán)簇所覆蓋，并進(jìn)一步組合成100-150納米的次級(jí)球形顆粒。在脫氫反應(yīng)后，該體系形成了5-10納米尺寸的緊密接觸的B/LiH/Ni納米結(jié)構(gòu)，這為后續(xù)的低溫再氫化過(guò)程提供了必要的空間條件。

一、低溫氫吸收：在30°C條件下促進(jìn)B/LiH向LiBH4的轉(zhuǎn)化

在100 bar氫氣壓力下，鎳修飾的B/LiH納米復(fù)合材料的氫化起始溫度降至30°C；與未添加鎳的納米級(jí)B/LiH和塊狀B/LiH相比，溫度分別下降了約170°C和295°C。

在30°C和100 bar的氫壓條件下，該材料能夠吸收大約1.7 wt.%的氫氣；而在50°C和120 bar的氫壓條件下，氫氣吸收量增加到大約3.3 wt.%。

● 隨著溫度升高至200°C和250°C，在100 bar氫壓下，材料的吸氫量分別增至約7.9 wt.%和9.0 wt.% H2，表明其具有較大的可逆儲(chǔ)氫能力。

圖4. 在不同溫度和氫壓條件下，脫氫后的納米LiBH4@30Ni的氫化反應(yīng)。

二、在較低溫度下脫氫與循環(huán)：脫氫速度和可逆容量得到同步提升。

● nano-LiBH4@30Ni的初始脫氫溫度大約為120°C，而脫氫峰值溫度約為286°C，相較于原始LiBH4及不含Ni的nano-LiBH4，這些溫度顯著降低。

在300°C恒溫脫氫環(huán)境下，新材料在60分鐘內(nèi)能夠釋放大約9%的氫氣重量；而未經(jīng)改性的LiBH4在同樣的條件下，氫氣釋放量不到0.4%。

● 脫氫速度相較于標(biāo)準(zhǔn)LiBH4提高了43.5倍；經(jīng)過(guò)20次重復(fù)使用后，其可逆儲(chǔ)氫容量仍維持在大約8.2 wt.%。

圖6：納米LiBH4@30Ni復(fù)合材料的脫氫性能與循環(huán)穩(wěn)定性

機(jī)制：B尖峰活性位點(diǎn)協(xié)同Ni團(tuán)簇促進(jìn)H2分解以及氫氣溢出過(guò)程。

本研究的機(jī)理可以簡(jiǎn)潔地描述為：硼（B）自身不易直接與氫氣（H2）結(jié)合；鎳（Ni）納米團(tuán)簇的作用是將氫氣分解成活性氫原子；而精細(xì)的硼/鋰氫化物（B/LiH）納米結(jié)構(gòu)則提供了眾多低配位硼尖峰位點(diǎn)，這些位點(diǎn)使得活性氫原子能夠逐漸與硼形成硼氫鍵，并最終促使鋰氫化物（LiBH4）的再生。

三、Ni納米粒子調(diào)整B/LiH氫化物反應(yīng)途徑

● 密度泛函理論（DFT）的計(jì)算結(jié)果表明，在3納米尺寸的鎳（Ni）團(tuán)簇中，鎳的t2g軌道能夠與氫氣（H2）的反鍵σ*軌道實(shí)現(xiàn)有效的雜化作用，這一過(guò)程有助于電子從鎳轉(zhuǎn)移到氫氣，進(jìn)而降低氫分子間H-H鍵的強(qiáng)度。

● 鎳團(tuán)簇能與硼團(tuán)簇構(gòu)成鎳-硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中的電荷重新分布和軌道相互作用有助于降低硼-硼鍵的強(qiáng)度，進(jìn)而促進(jìn)硼的氫化反應(yīng)。

核磁共振檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，在氫化反應(yīng)中，Li2B5H5、Li2B7H7、LiBH4等中間產(chǎn)物依次形成，最終轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)iBH4；這表明氫化是一個(gè)由外向內(nèi)逐步進(jìn)行的復(fù)雜過(guò)程。

圖5展示了納米LiBH4@30Ni的氫化機(jī)理：鎳催化的氫氣分解、表面氫化以及氫的擴(kuò)散過(guò)程。

國(guó)儀量子公司推出的H-Sorb 4600PCT Pro型高壓儲(chǔ)氫吸附分析設(shè)備

高壓儲(chǔ)氫吸附儀能夠?qū)Σ牧显诙鄻拥臏囟群透邏簵l件下進(jìn)行氫氣吸附與釋放行為的測(cè)試，準(zhǔn)確測(cè)定材料的吸放氫溫度和壓力、吸放氫容量、吸放氫速度等關(guān)鍵儲(chǔ)氫性能參數(shù)，涉及儲(chǔ)氫材料的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性。

產(chǎn)品特性：

● 檢測(cè)結(jié)果具有高度一致性，LaNi5材料的吸附精度控制在±1%范圍內(nèi)。

● 鈷合金高壓氣動(dòng)閥門(mén)能夠承受超過(guò)50000次的長(zhǎng)期吸脫附循環(huán)測(cè)試。

● 各類(lèi)項(xiàng)目（PCT、動(dòng)力學(xué)、循環(huán)、TPA/TPD）實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的連續(xù)性測(cè)試組合。

● 快速的溫度和壓力調(diào)節(jié)，配合連續(xù)操作模式，顯著提高了測(cè)試效率，達(dá)到了40%的提升。

● 提供20g至1000g范圍的定制化宏量測(cè)試解決方案，包括原位XRD和質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)。

● 提供定制化70MPa至100MPa的超高壓力測(cè)試系統(tǒng)解決方案

● 智能科研助手，提供數(shù)據(jù)問(wèn)題解答和測(cè)試性能分析支持

● 自動(dòng)化吸脫附溫度變化測(cè)試（PCT、Kinetics、Cycle）

● 智能化連續(xù)多溫測(cè)試系統(tǒng)（PCT、動(dòng)力學(xué)分析）

近期支持的科研成果列表

1. 溶劑介導(dǎo)的部分離子性增強(qiáng)了基于鎂的儲(chǔ)氫合金的機(jī)械納米化效應(yīng)。《自然通訊》（2026年）

2.室溫下的Alane脫氫反應(yīng)，為光催化供氫系統(tǒng)提供可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)力。《先進(jìn)科學(xué)》雜志（2025年）

3. 兩階段熱處理技術(shù)提升Mg-N-Y合金的氫儲(chǔ)存性能。稀有金屬（2026年）

4. 一項(xiàng)創(chuàng)新的碳誘導(dǎo)孔隙形成機(jī)制，增強(qiáng)了鎂氫化物的循環(huán)穩(wěn)定性。《鎂合金雜志》（2025年）

5. 研究了釔元素添加對(duì)Ti-Zr-Mn-Cr-Fe合金儲(chǔ)氫性能的影響。《合金與化合物雜志》(2026)

6. 研究了鎳摻雜對(duì)球磨釹鎂合金儲(chǔ)氫動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)特性的影響。《合金與化合物雜志》（2025年）

7. 顯著的吸/放氫動(dòng)力學(xué)性能和循環(huán)穩(wěn)定性在Mg-CeAl3@CeH2納米復(fù)合材料中得到展現(xiàn)。《合金與化合物雜志》（2025年）

8. 摻雜效應(yīng)對(duì)SmCo5永磁體的抗氫化能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的增強(qiáng)作用：一項(xiàng)理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究。《合金與化合物雜志》（2026年）

9. Overcoming kinetic and thermodynamic limitations: the combined effect of CeO2-Ni-rGO catalysts significantly boosts the hydrogen storage capabilities of MgH2. Journal of Alloys and Compounds (2026)

10. 探究鎂鋁體系中結(jié)構(gòu)與相變對(duì)降低氫脫附溫度的影響。《氫能》雜志，2025年。

11. 機(jī)器學(xué)習(xí)模型助力預(yù)測(cè)Ti-Zr-Mn-Cr-V高熵合金的儲(chǔ)氫容量：價(jià)電子平均數(shù)的影響。《能源儲(chǔ)存雜志》（2026年）

12. 采用雙重策略?xún)?yōu)化未激活的Mg8Ni-TiO2/MnO2復(fù)合材料的氫儲(chǔ)存性能。《能源化學(xué)雜志》（2025年）

13. 在納米尺度上，硫腐蝕產(chǎn)物自燃現(xiàn)象的影響：以中孔為主導(dǎo)的氧氣吸附與活化機(jī)制。Fuel (2026)

14. 孔隙結(jié)構(gòu)重組與微尺度流體響應(yīng)在二氧化碳和煙氣強(qiáng)化煤層氣回收中的研究。《燃料》雜志（2026年）

15. 氫氣儲(chǔ)存性能的研究：六方氮化硼表面鈦修飾的實(shí)驗(yàn)與理論分析。《應(yīng)用表面科學(xué)》（2026年）

16. 銅基甲醇蒸汽重整催化劑，以導(dǎo)熱性能提升的石墨烯氧化物與UiO-66復(fù)合金屬有機(jī)框架材料為載體，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定的氫氣生產(chǎn)。《國(guó)際氫能雜志》（2025年）

● 極速溫壓控制，結(jié)合自動(dòng)連用功能綜合測(cè)試效率提升40%

● 可定制20g-1000g級(jí)宏量測(cè)試系統(tǒng)、原位XRD及質(zhì)譜聯(lián)用系統(tǒng)

● 可定制70MPa或100MPa超高壓測(cè)試系統(tǒng)

● AI科研助手，數(shù)據(jù)問(wèn)題智能解答、測(cè)試性能輔助分析

● 全自動(dòng)吸脫附變溫測(cè)試（PCT、Kinetics、Cycle）

● 全自動(dòng)連續(xù)多溫度測(cè)試（PCT、Kinetics）

近期助力成果目錄

1.Solvent-mediated partial ionicity enhances mechanical nanosizing effect of Mg-based hydrogen storage alloys. Nature Communications (2026)

2.Room-Temperature Alane Dehydrogenation for Visible-Light-Driven Photocatalytic Hydrogen Supply System. Advanced Science (2025)

3.Dual‐Stage Heat Treatment for Enhanced Hydrogen Storage Properties of Mg-N-Y Alloys. Rare Metals (2026)

4. A novel carbon-induced-porosity mechanism for improved cycling stability of magnesium hydride. Journal of Magnesium and Alloys (2025)

5.Impacts of Y addition on the hydrogen storage performance of Ti-Zr-Mn-Cr-Fe alloys. Journal of Alloys and Compounds (2026)

6. Effect of Ni doping on hydrogen storage kinetics and thermodynamic properties of ball-milled Nd-Mg alloy. Journal of Alloys and Compounds (2025)

7. Superior de/hydriding kinetics and cycling stability of Mg-CeAl₃@CeH₂ nanocomposites. Journal of Alloys and Compounds (2025)

8.Doping-induced enhanced hydrogenation resistance and structural stability in SmCo₅ permanent magnets: A combined theoretical and experimental study. Journal of Alloys and Compounds (2026)

9. Breaking kinetic and thermodynamic barriers: CeO₂-Ni-rGO synergistic catalysis for comprehensively enhanced hydrogen storage performance of MgH₂. Journal of Alloys and Compounds (2026)

10.Structural and Phase Evolution in the Mg-Al System Leading to Lower Hydrogen Desorption Temperature. Hydrogen (2025)

11.Interpretable machine learning framework for hydrogen storage capacity prediction in Ti-Zr-Mn-Cr-V high-entropy alloys: Influenced by valence electron average. Journal of Energy Storage (2026)

12.Dual-strategy regulation for enhancing hydrogen storage performance of non-activated Mg₈Ni-TiO₂/MnO₂ composites. Journal of Energy Chemistry (2025)

13.Nanoscale effect of spontaneous combustion of sulfur corrosion products: Oxygen adsorption and activation mechanism dominated by mesopores. Fuel (2026)

14.Pore structure reconfiguration and microscale fluid response in bituminous coal under CO₂ and flue gas-enhanced coalbed methane recovery. Fuel (2026)

15. Experimental and theoretical investigation on hydrogen storage performance of titanium decorated hexagonal boron nitride. Applied Surface Science (2026)

16.Cu-based methanol steam reforming catalyst supported by heat conduction enhanced GO+UiO-66 composite MOF material for long-term stable hydrogen production. International Journal of Hydrogen Energy (2025)