通过三层锂硼氢化物纳米复合材料在温和温度下实现可逆氢存储

为日常生活带来更清洁的燃料

氢气常被誉为一种清洁燃料，可为汽车、卡车甚至整个街区提供动力，同时仅排放水。但要将这一设想变为现实，我们需要在车载设备上以安全、紧凑且在温和温度下的方式储存氢气。这项研究提出了一种巧妙的“层蛋糕”纳米材料，能够比以往更容易地储存和释放大量氢，从而使氢能交通更接近实际应用。

有前景却倔强的氢海绵

该研究的核心是锂硼氢化物，这是一种固体材料，按重量和体积计算都能储存令人印象深刻的氢量，因此在车辆应用中颇具吸引力。问题在于该材料太稳定：通常需要非常高的温度才能释放出氢，而且不容易重新吸收氢，这损害了效率和耐久性。在过去二十年里，科学家尝试了许多方法来调控它，比如掺入其他元素、将其缩小为纳米颗粒，或者将其困在多孔结构中。这些方法有所改善，但所需温度仍然过高，难以主要依靠燃料电池的废热驱动。

构建三层纳米三明治

研究人员设计了一种新结构，将各成分按纳米尺度精确叠放。底层是一层石墨烯，石墨烯是一种超薄且坚固的碳材料，起到支撑平台的作用。在其上生长了中间层的微小镍簇，尺寸仅为几纳米。最上层则是形成的锂硼氢化物纳米颗粒，主要位于镍簇之上而非直接接触石墨烯。精细的电子显微成像证实了这一三层结构，显示底部为石墨烯，之上均匀分布着镍纳米簇，顶部覆盖着一层锂硼氢化物颗粒。通过调节镍的含量和颗粒尺寸，锂硼氢化物得以保持细分化并均匀分布。

在更温和温度下储存更多氢

当团队测试这种三层材料的氢处理性能时，结果非常显著。与纯锂硼氢化物相比，开始释放氢所需的温度降低了超过100摄氏度。该复合材料在适度加热下可释放约相当于锂硼氢化物部分重量的10.5%氢，而且其释放速度远快于未改性的材料。更重要的是，该材料在大约70摄氏度时就能开始重新吸氢——这是该材料家族中报道的最低起吸温度之一——并且最多可回吸相当于锂硼氢化物含量12.3%重量的氢。它还经受了至少30次充放循环而容量损失很小，并避免了该化合物在反复加热冷却时通常出现的起泡和崩解问题。

镍如何促进氢的移动

为弄清三层结构为何表现优异，科学家将实验与量子力学计算结合起来。模型显示，当富硼簇（来自锂硼氢化物）直接位于镍上时，镍会重排硼的网络并向其捐电子。这削弱了某些硼—硼键，降低了氢原子附着、迁移并形成新的硼—氢键所需的能量。对氢分子接近镍—硼界面的模拟表明，氢在镍上更容易裂解，产生的氢原子可以快速在表面迁移并进入富硼区域。相比之下，当硼簇位于裸碳上时，电子相互作用往往阻碍氢的移动。通过在石墨烯与锂硼氢化物之间插入镍，该设计鼓励氢高效进出，同时保持活性颗粒牢固锚定。

这对未来氢能车辆意味着什么

通俗地说，这种三层纳米复合材料就像一个高度工程化的氢海绵，能在更接近实际燃料电池系统能提供的温度下吸收和挤出燃料。石墨烯提供机械支撑并有助于控制颗粒尺寸；镍纳米簇作为微小的反应枢纽，分裂并传输氢；锂硼氢化物则以紧凑形式储存大量氢。三者协同克服了长期存在的高温和可逆性差的障碍。尽管还需进一步放大制备并将材料整合到完整储氢罐中，这项研究为设计下一代固体氢载体提供了清晰的蓝图，有望使清洁氢能车辆更具可行性。

引用: Zhang, W., Zhang, X., Li, C. et al. Reversible H₂ storage at moderate temperature by a trilayered lithium borohydride nanocomposite. Nat Commun 17, 3756 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69059-y

关键词: 氢存储, 锂硼氢化物, 纳米复合材料, 镍催化剂, 石墨烯