北航Nature nanotechnology: 用于室溫儲氫的未完全刻蝕的多層Ti2CTx

【引言】

氫存儲是氫能經濟中的關鍵環節，對燃料電池汽車(FCVs)至關重要。當前的燃料電池汽車使用壓縮氫氣，這限制了其體積能量存儲密度和安全性。固態儲氫材料有望克服這些問題，成為了目前研究的熱點。對于車載應用，儲氫材料應滿足以下綜合要求：高質量和體積比能量，良好的儲存穩定性和循環穩定性，高安全性且低成本。迄今為止，已經開發了多種固態氫存儲材料，根據載體和H₂之間的相互作用不同可以將存儲機制分為兩種。一些具有高比表面積的多孔材料可以通過物理吸附捕獲氫分子。其比容量高，具有出色的動力學性能和優異的循環性能。但是，由于吸附力弱，物理吸附必須在極低的溫度和高氫氣壓力下運行。金屬氫化物是更實用的材料，可通過化學鍵捕獲氫。LaNi₅，由于其對氫的適當化學吸附強度，可以在環境條件下存儲/釋放氫，但其存儲容量相當低（小于2 wt％）。輕質金屬氫化物，如Mg系材料，具有高儲氫容量的優點。但是，過強的化學鍵導致很難釋放氫，通常需要300-400°C的高溫才能克服熱力學能壘。高溫運行會帶來高的熱管理成本，并使儲氫系統復雜化。

【成果簡介】

近日，北京航空航天大學水江瀾教授團隊報道了一種通過不完全氫氟酸蝕刻制備的多層Ti₂CT_x（T為官能團）材料，并將其用于可逆的儲氫材料。此類Ti₂C片裝飾有豐富的氟（-F）基，并且層間距離很窄，約為7?，從而形成了納米泵效應輔助的對氫的弱化學吸附。所制備的Ti₂CT_x在60 bar的相對安全壓力下可以吸收超過8.8wt％的氫。與目前的室溫儲氫材料相比，Ti₂CT_x具有低壓儲氫的優勢，幾乎是以前報道的在相同壓力下的材料最高儲氫能力的兩倍。即使在完全環境條件（25°C和1bar空氣壓力）下，Ti₂CT_x仍然可以保留4wt％的氫。此外，其氫氣釋放的動力學也很快且可以控制，運行溫度低于95℃。相關研究成果以“Hydrogen storage in incompletely etched multilayer Ti₂CT_x?at room temperature”為題發表在Nature Nanotechnology上。

【圖文導讀】

圖一 Ti₂CT_x的結構表征

（a）具有喇叭口形貌特征和層間殘留Al的Ti₂CT_x納米片的HAADF-STEM圖像。

（b）多層Ti₂CT_x的HAADF-STEM圖像。

（c）以Ti₂AlC為參考的Ti₂CT_x的XRD譜圖。

（d，e）多層Ti₂CT_x的Al 2p Ti 2p XPS譜圖。

（f）在Ti₂CT_x窄層層間的氫存儲過程示意圖。

圖二Ti₂CT_x的儲氫性能

（a）Ti₂CT_x與一些代表性的室溫儲氫材料，即Kubas型材料和金屬氫化物的氫吸附等溫線的比較。

（b）Ti₂CT_x在最初幾個循環中的氫吸附和脫附曲線。

（c）初始的，氫化的和脫氫的Ti₂CT_x的XRD圖。

（d）在不同溫度和壓力下的氫脫附曲線。

（e）點燃氫化的Ti₂CT_x粉末壓片的紅外圖像和照片。

圖三Ti₂CT_x中氫存儲的關鍵結構因素

（a）具有不同層間距的MXene（Ti₂CT_x和Ti₃C₂T_x）的XRD圖譜。

（b）相應的氫吸收曲線。

（c）Ti₂C(OH)_x的兩個初始氫吸收動力學曲線。

（d）在第一次氫化/去氫循環前后，Ti₂CT_x和Ti₂C(OH)_x的FTIR光譜。

圖四 Ti₂CT_x中儲氫的機理分析

（a）帶有H₂分子嵌入的Ti₂C堆疊層狀的結構。

（b）每個嵌入的H₂的吸附能E_ab變化。

（c）原始和氫化的Ti₂CT_x的1 H NMR光譜。

（d）原始和氫化的Ti₂CT_x的TPD曲線。

（e）氫化和脫氫Ti₂CT_x的FTIR譜圖。

【小結】

總之，本文展示了一種室溫儲氫材料，即未完全刻蝕的Ti₂CT_x并研究了其儲氫機理。

在?50-60bar的壓力下，可逆儲氫量達到8wt％以上，是以前報道的在相同壓力下室溫儲氫材料的兩倍。氫釋放是快速且可控的。此外，Ti₂CT_x顯示出良好的氫氣吸附/脫附循環能力。作者的研究表明，狹窄的層間距離和-F官能團是Ti₂CT_x中儲氫的關鍵結構參數。它們誘導了納米泵效應輔助的弱化學吸附，在氫氣和Ti₂CT_x之間產生了適當的相互作用，從而使Ti₂CT_x的層間空間在接近室溫的條件下可逆地儲有大量氫。預計這種儲氫機制將適用于多種納米材料，尤其是具有大量亞納米孔和可化學修飾內表面的納米材料。

文獻鏈接：“Hydrogen storage in incompletely etched multilayer Ti₂CT_x?at room temperature”(DOI: 10.1038/s41467-020-19078-0)

本文由材料人微觀世界編譯供稿，材料牛整理編輯。

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