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复制链接武汉纺织大学纺织科学与工程学院周阳教授研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》上发表了一篇题为“Understanding and engineering rare earth elements in magnesium-based hydrogen storage systems: A multiscale perspective”的文章。
本文深入讨论了稀土元素在镁基储氢系统中的多尺度效应及其在性能优化中的关键作用。稀土元素通过调节材料的结构和热力学性质，显著提高了氢的扩散和储存性能。在此基础上，分层结构设计有效地优化了氢气吸附和解吸过程，改善了储氢动力学，增强了系统响应能力，并提高了能源效率。界面工程通过精确控制表面和界面特性、延长使用寿命和增强整体可靠性，在提高材料的循环稳定性和抗降解性方面发挥着至关重要的作用。最后，本文将展望未来的研究方向，评估当前进展，并分析潜在的技术挑战。通过这些讨论，本文为下一代高效、稳定的储氢材料设计提供了理论基础和技术路线图，推动了稀土改性镁基储氢材料的持续开发和实际应用。
摘要：
将稀土 （RE） 元素战略性地整合到镁基储氢系统中，代表了可持续储能技术的前沿。本综述全面介绍了 RE-Mg 系统的多尺度分析，从原子级相互作用到实际应用，综合了结构工程、热力学优化和动力学增强方面的最新突破。我们系统地研究了 RE 元素如何通过互补机制协调多种功能：促进氢解离的原子级催化、创建优化扩散途径的纳米级结构修饰以及实现长期稳定性的微尺度界面工程。我们的分析表明，RE 元件通过协同途径同时解决了多种挑战：（1） 通过电子结构修饰催化解离氢分子；（2） 优化电子密度分布以调节 Mg-H 键强度；（3） 建立分层扩散网络以及 （4） 在循环作期间稳定纳米结构。多稀土系统和再过渡金属组合的出现已经显示出前所未有的改进，实现了低于 300 °C 的工作温度，并将动力学提高了 2-5 倍。最后，我们提出了未来研究的关键路线图，通过合理的 RE 元素选择和先进的材料设计策略确定了实现 DOE 目标的有希望的方向，这项工作为开发用于清洁能源应用的下一代储氢材料建立了基本框架。
RE-Mg 储氢系统综述：进展与展望
将稀土元素集成到镁基储氢系统中，促进了解决固态储氢根本挑战的变革性进步。通过系统的材料工程和机理优化，在多个性能指标上取得了重大突破。RE 元素的战略选择和掺入使解吸温度降低到 300℃以下。通过热力学性质改性，开创性的系统表现出低至 69.9 kJ/mol H 的解吸焓特别值得注意的是多稀土系统的开发，该系统在增强动力学性能和作稳定性方面表现出显着的协同效应，与传统的 Mg 基系统相比，吸收速率提高了 2-5 倍。
稀土氢化物 （REH2/REH3） 的形成已成为一种关键的机理途径，具有多种功能：催化氢解离，提供稳定的成核位点，并在循环过程中建立防止氧化和降解的保护屏障。通过稀土掺入的先进结构工程成功地实现了纳米级尺寸的晶粒细化，为氢相互作用创造了优化的扩散途径和增强的表面积。长周期堆叠有序 （LPSO） 结构的发展及其与各种催化剂的协同效应为提高性能开辟了新的途径。
然而，要充分发挥 RE-Mg 储氢系统的潜力，仍然存在一些关键挑战。围绕稀土元素的经济考虑需要制定更有效的利用策略并探索使用更丰富的 RE 元素的替代成分。氢吸收/脱附循环期间的温度管理仍然是一项重大挑战，尤其是在保持结构稳定性和防止高温下团聚方面。稳定的氧化层的形成，尤其是在多组分系统中，继续阻碍长期循环性能，需要更有效的保护策略。此外，氢循环过程中复杂的相变，特别是在包含多个 RE 元件的系统中，需要更好的理解和控制，以优化性能的一致性和可靠性。
前进的道路需要在几个关键领域进行集中研究。对新型 RE 组合及其与过渡金属的协同作用的研究有望解锁新的性能增强途径。先进的原位表征技术对于理解氢循环过程中的动态过程至关重要，特别是 RE 元件在界面演化和相变中的作用。从原子级到系统级的多个尺度的计算建模对于预测和优化新材料成分至关重要。研究重点应包括制定降低 RE 含量同时保持性能优势的策略，可能通过先进的纳米结构或表面改性技术。
将研究成果转化为实际应用，需要制定一项全面的战略，解决系统设计和作的多个方面。实施方法必须侧重于优化材料合成以进行大规模生产，同时保持对成分和结构的精确控制。开发有效的热管理系统，特别是用于处理吸收/解吸循环期间的热释放，对于实际应用至关重要。工程解决方案必须解决循环过程中的压力控制、热交换和机械稳定性问题。应通过工艺优化和利用更丰富的 RE 元素来制定成本降低策略。
这项系统分析表明，下一代 RE-Mg 储氢系统的成功开发需要一种从基础材料科学到实际工程解决方案的综合方法。该领域正处于一个关键时刻，弥合实验室成就和商业实施之间的差距需要前所未有的跨学科合作。成功将取决于制定标准化的评估方案、生命周期评估方法和可持续制造流程，这些流程同时考虑了绩效指标和经济可行性。随着研究不断释放新的协同作用和优化策略，这些材料有望在向氢经济过渡方面发挥关键作用，前提是可以通过协调的科学和工程努力系统地解决可扩展性、成本和系统集成方面的挑战。
周阳，男，1977年9月生，博士/博士后，教授，硕士生导师。2008年西安交通大学博士毕业，获理学博士学位。2008年10月起在昆明理工大学工作，2013年5月至2014年5月在美国北卡罗来纳大学教堂山分校做访问研究，2014年6月晋升教授，2016年3月起在武汉纺织大学工作。2017年获湖北省“楚天学者计划”特聘教授，武汉纺织大学“阳光学者”特聘教授。中国化学会、中国纺织工程学会，美国化学会会员、中国产业用纺织品行业协会非织造布分会成员。
2021年获江苏省宿迁市“千名领军人才集聚计划”创新人才。先后主持和参与国家自然科学基金、云南省自然科学基金、中国博士后科学基金，湖北省科技厅产学研等项目17项。获授权发明专利13项，在Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Eng. J., ACS Appl. Mater. Interfaces等国际学术期刊上发表论文90多篇，参编三本英文专著“Advances in Nanotechnology”，“Porous Silicon: From Formation to Application”和“Smart Textile and Polymer Materials”。任Polymers (IF = 4.9)杂志编委，担任Appl. Phys. Lett., ACS Nano, ACS Appl. Mater. Inter., New J. Chem., Polymer, Appl. Surf. Sci., Chem. Eng. J., Mater. Lett.等国际期刊审稿人，并为上述杂志审稿92篇次。
研究方向：
1） 微/纳米材料表面功能化/表面分子组装、结构与性能；
2） 纤维增强复合材料的高性能化和轻量化技术；
3） 机器学习与纺织材料基因组学高通量计算；
4） 光/热/电智能响应功能材料的制备及光电输运性质。
