北京航空航天大学水江澜教授课题组首次综述了一系列物理吸附和化学吸附以外的非经典储氢机制。这篇综述可以使研究人员对储氢材料的多样性和储氢机制的复杂性有一个清晰的认识，推动储氢材料的多样化设计。该综述题为“Non-classical hydrogen storage mechanisms other than chemisorption and physisorption”发表于《Applied Physics Reviews》（应用物理评论，IF=19.162），第一作者为北京航空航天大学博士生刘世媛，通讯作者为水江澜教授。同时该文章被APR编辑选中为“本期最优秀的文章之一”，通讯作者水江澜教授受邀进行电话采访，并在AIP 科学亮点Scilight网站就该综述发布专题报导。https://aip.scitation.org/doi/10.1063/10.0011734氢气是一种清洁、高能量密度的可再生能源，有望帮助人类摆脱对化石能源的依赖。高效的储氢技术是氢能大规模应用的前提条件，因此储氢技术的研究具有非常重要的意义。传统的储氢材料研究中，根据材料与氢气的相互作用方式，储氢机制通常分为化学吸附和物理吸附。化学吸附是指将氢分子分解成氢原子，然后通过化学键与材料结合。物理吸附指的是氢分子通过范德华力吸附在高比表面积的材料表面。现有的储氢技术如高压气瓶、液态氢等都存在一定的缺陷，如安全性，储氢密度、经济性等等。按照美国能源部的分类，储氢材料主要包括吸附剂、液体有机物、间隙氢化物、复合氢化物和化学氢。一般来说，吸附剂的储氢机制是物理吸附，而液体有机物、间隙氢化物、复合氢化物和化学氢的储氢机制是化学吸附。基于物理吸附机制的储氢材料，如MOF和碳材料，由于材料和氢气的相互作用力很弱，难以在适宜的温度和压力条件下稳定的存储氢。而基于化学吸附机制的储氢材料由于强结合力，氢的释放非常困难，往往需要高温条件，并且反复发生化学反应会破坏材料结构，造成材料循环性不佳。由此可见，传统储氢材料存在一定问题，内在机制的探索是材料性能优化的关键。本文不受限于传统机制的分析思路，着重综述了近年发表的相对小众的储氢材料并提出了新储氢机制，同时结合经典储氢机制，论述了目前储氢材料研究中的关键点和难点，并提出了对这些新兴储氢机制和新储氢材料的展望。本文综述了四种非经典储氢机制，机制示意图如图1所示，分别为：1. Kubas相互作用，指氢气的σ分子轨道和金属原子的d轨道之间的相互作用。Kubas相互作用的强度介于化学吸附和物理吸附之间，具有合适的反应温度。文献报导的Kubas储氢材料如图2所示。2. 纳米泵效应，堆叠2D材料的层间距很小时，氢吸附焓会显著增大。这种增强的吸附力可以增加层间的氢密度，从而实现高密度的氢存储。3. 非解离型化学吸附，部分具有开放金属位点的多孔材料（如MOF），在金属位点出会产生较强的氢结合力，但是这种强结合力不同于化学吸附会使氢分子断裂形成氢原子，是兼顾物理吸附和化学吸附优势的储氢机制。4. 弱结合氢原子吸收，金属氢化物是传统的化学吸附储氢材料，但是纳米氢化物表面由于不饱和配位和晶格缺陷，其储氢特征不同于经典的化学吸附。这种结合力相对较弱的氢存储很好的改善了传统化学吸附储氢材料热力学不佳的劣势。▲图2. Kubas储氢机制原理示意图(a-d)和代表性材料锰氢化物分子筛的储氢性能(e-f)。为了使储氢材料的综合性能满足实际应用的要求，除了新材料的开发，机理的研究也是至关重要的。仅仅基于传统机制来理解和设计储氢材料是不恰当的，创新的储氢机制将有助于打破储氢性能的瓶颈，开发出更先进的实用材料。同时本文关于进一步促进储氢材料的发展和广泛应用，提出了一系列建议，包括：1. 为了准确推测储氢机理，应使用多种原位和准原位表征技术来分析氢化前后的样品；2. 建议联合使用Sieverts法，重量法以及TPD-MS和TG等储氢量检测方法对材料性能进行测试，有助于消除由单个仪器或特定测量方法引起的测量误差；3. 应将实验和多尺度理论模拟相结合，以更好地分析氢吸附和解吸过程，确定性能的关键影响因素；4. 除了储氢密度，在材料的研究中还应该关注循环稳定性，储存稳定性和安全问题，以及生产成本和可控制备技术。水江澜，北京航空航天大学材料科学与工程学院教授，博导。本科就读于天津大学化工学院，先后于中国科学技术大学（2006年）和美国罗切斯特大学（2010年）获双博士学位，在美国阿贡国家实验室（2010-2013年）和凯斯西储大学（2013-2014年）进行博士后研究工作。当前研究领域聚焦氢能关键材料与器件，包括电催化剂、储氢材料、质子膜燃料电池等。迄今已发表SCI论文近100篇，包括Science, Nat. Nanotechnol., Nat. Catal., Nat. Commun., Sci. Adv., PNAS, J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., ACS nano, ACS Energy Lett., Nano Lett.等国际著名期刊，授权中国/美国发明专利7项。
