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復旦大學材料科學系Xuebin Yu等--太陽能驅(qū)動可逆貯氫

缺乏安全高效的儲氫裝置是氫能大規(guī)模應(yīng)用的主要瓶頸。具有高理論重量和體積氫密度的輕質(zhì)金屬氫化物可逆儲氫是一種理想的溶液，但需要極高的工作溫度和大的能量輸入。本文以MgH₂為例，通過耦合均勻分布在MXene納米片表面的銅納米顆粒的光熱效應(yīng)和催化作用，實現(xiàn)了一種太陽能驅(qū)動的金屬氫化物可逆儲氫的概念(Cu@MXene)。Cu@MXene的光熱效應(yīng)，加上MgH₂導熱性能差所導致的“熱隔離”作用，有效地提高了MgH₂在太陽照射下的溫度。另一方面，MXene表面由MgH₂還原而原位形成的Ti和TiHx物種的“氫泵”效應(yīng)，有效地緩解了動力學障礙，從而降低了MgH₂可逆的氫氣吸附和解吸所需的操作溫度。基于Cu@MXene的光熱和催化作用的結(jié)合，以太陽照射作為唯一的能源，MgH₂經(jīng)過30次循環(huán)后可獲得5.9 wt.%的可逆儲氫能力。

圖1 (a) Cu@MXene合成的示意圖。(b)合成的Cu@MXene和MXene的XRD圖譜和(c) XPS測量光譜。(d) Cu@MXene的高分辨率Cu 2p XPS譜。(e) Cu@MXene的SEM圖像。 (f) Cu@MXene中銅納米顆粒的TEM圖像。(g) Cu@MXene的EDS元素映射圖像。

圖2. (a) Cu@MXene和MXene的UV-vis-NIR吸收光譜。(b) Cu@MXene和MXene照射120 s后觀察到的溫度與光強的關(guān)系。(c)在0.4 W/cm²光強下，紅外熱成像儀記錄的Cu@MXene和MXene表面溫度的原位檢測。(d) FDTD模擬局域電場增強曲線。

圖3 (a) MgH₂分別在Cu@MXene和MXene催化下在240℃的等溫脫氫曲線。(b) MgH₂在Cu@MXene催化下在不同溫度下的等溫脫氫曲線。(c) MgH₂分別在Cu@MXene和MXene催化下在250℃的等溫加氫曲線。(d)不同溫度下Cu@MXene催化MgH₂的等溫加氫曲線。(e)分別計算Ti, TiH和TiH₂催化下MgH₂釋放一個H₂分子的能量分布。

圖4. (a)溫度對光照的響應(yīng);(b) Cu@MXene和MXene催化下MgH₂對應(yīng)的H₂解吸曲線，其中包括純MgH₂作為比較。(c)溫度對光照的響應(yīng);(d)不同光照強度下Cu@MXene催化MgH₂的H2解吸曲線。(e)使用4 W/cm²的光強度在Cu@MXene催化下MgH₂的循環(huán)H₂解吸曲線。

圖5 (a)基于Cu@MXene的光熱和催化效應(yīng)的太陽能驅(qū)動的MgH₂可逆儲氫示意圖。(b)表面溫度，(c) uv - visi - nir吸收光譜，(d)在2.61 W/cm²的光強下，Cu@MXene以不同比例催化MgH₂的H₂解吸度的比較。

相關(guān)科研成果由復旦大學材料科學系Xuebin Yu等人于2022年發(fā)表在Advanced Materials (doi: 10.1002/adma.202206946)上。原文：Solar-Driven Reversible Hydrogen Storage。

轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號



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