固體儲(chǔ)氫是近年來(lái)新能源領(lǐng)域研究和發(fā)展的熱點(diǎn)及難點(diǎn)，鎂基儲(chǔ)氫被學(xué)術(shù)界認(rèn)為是極具商業(yè)價(jià)值的儲(chǔ)氫技術(shù)路線(xiàn)之一。鎂基儲(chǔ)氫具有儲(chǔ)氫容量大、吸放氫可逆性好、成本低、資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，其理論儲(chǔ)氫量為7.6wt%，體積儲(chǔ)氫密度110kg/m3,被認(rèn)為是極具應(yīng)用前景的一類(lèi)固態(tài)儲(chǔ)氫材料。但由于其高熱力學(xué)穩(wěn)定性和較差的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，MgH2只能在高溫下（≥300℃）才有優(yōu)異的吸附氫性能，且在放氫循環(huán)中，MgH2/Mg顆粒的團(tuán)聚和長(zhǎng)大導(dǎo)致循環(huán)穩(wěn)定性差，仍具有相對(duì)苛刻的釋放場(chǎng)景。

固態(tài)儲(chǔ)氫百花齊放

鎂基儲(chǔ)氫優(yōu)勢(shì)顯著

在目前的儲(chǔ)氫方式中，固態(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng)是最可靠、最安全、最高體積效率的儲(chǔ)氫方式。

相比于高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫和低溫液態(tài)儲(chǔ)氫，固體材料儲(chǔ)氫能很好地解決傳統(tǒng)儲(chǔ)氫技術(shù)儲(chǔ)氫密度低和安全系數(shù)差的問(wèn)題。具體來(lái)講，固態(tài)儲(chǔ)氫可以大幅提高體積儲(chǔ)氫密度，在常溫常壓下安全性好、氫氣純度高，可長(zhǎng)距離運(yùn)輸、跨季節(jié)安全存儲(chǔ)。

物理吸附類(lèi)儲(chǔ)氫材料脫附氫能力強(qiáng)，但條件嚴(yán)格。在特定條件下對(duì)氫氣具有良好、可逆的熱力學(xué)吸附、脫附性能，但大多在常溫下儲(chǔ)氫量低，低溫下才能表現(xiàn)出良好的氫吸附能力，不適合氫能規(guī)?；瘧?yīng)用。

金屬基儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫密度大，安全指數(shù)高。金屬基儲(chǔ)氫材料是研究較早的一類(lèi)固體儲(chǔ)氫材料，制備技術(shù)和制備工藝均已成熟。金屬基儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫性能高，操作安全，過(guò)程清潔無(wú)污染。金屬儲(chǔ)氫種類(lèi)很多，不同金屬在吸放氫過(guò)程中反應(yīng)條件不同，對(duì)于反應(yīng)條件苛刻的金屬，學(xué)者們正在通過(guò)不同的方式調(diào)整其性能，日后反應(yīng)效率將會(huì)得到進(jìn)一步提升。

鎂基儲(chǔ)氫密度高

成本下降空間巨大

鎂基儲(chǔ)氫是新型儲(chǔ)能技術(shù)的重要選擇，被廣泛認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ膬?chǔ)氫材料。對(duì)于固體儲(chǔ)氫材料的實(shí)際應(yīng)用來(lái)講，金屬基儲(chǔ)氫材料目前是極具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的。鎂基儲(chǔ)氫材料作為金屬基儲(chǔ)氫材料的一種，有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。鎂基儲(chǔ)氫具有性能優(yōu)勢(shì)，儲(chǔ)氫密度高，安全性強(qiáng)；具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，化學(xué)反應(yīng)簡(jiǎn)單，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)力雄厚；具有資源優(yōu)勢(shì)，鎂資源豐富，成本低；具有環(huán)境優(yōu)勢(shì)，反應(yīng)過(guò)程綠色安全，符合“雙碳”目標(biāo)。因此，鎂基儲(chǔ)氫材料是目前綜合性能最為優(yōu)異的儲(chǔ)氫材料。

鎂基儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫密度高。鎂儲(chǔ)氫密度是氣態(tài)氫的1000倍、液態(tài)氫的1.5倍。具體而言，MgH2儲(chǔ)氫重量密度可達(dá)7.6%，體積儲(chǔ)氫密度可達(dá)105kg/m3，同其他類(lèi)金屬儲(chǔ)氫材料相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。

鎂基儲(chǔ)氫運(yùn)營(yíng)成本低。與高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫和低溫液態(tài)儲(chǔ)氫相比，鎂基儲(chǔ)氫無(wú)需低溫或高壓裝置，大幅降低運(yùn)營(yíng)成本。從原料氣開(kāi)始，到最后的加氫站，考慮過(guò)程中每個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)備折舊和能耗，3種儲(chǔ)運(yùn)氫方式在100千米、300千米、500千米3個(gè)運(yùn)輸半徑的經(jīng)濟(jì)性情況有較大差異。根據(jù)氫儲(chǔ)科技測(cè)算，3種距離下，鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫的單位運(yùn)營(yíng)成本均低于高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫和低溫液態(tài)儲(chǔ)氫。鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫運(yùn)營(yíng)成本包括充裝設(shè)備、固態(tài)儲(chǔ)氫車(chē)、放氣及增壓設(shè)備的投入折舊和能耗。與高壓氣氫和液氫不同點(diǎn)在于，原料氣沒(méi)有加壓或液化的過(guò)程，鎂基儲(chǔ)氫最大的成本支出為加氫站放氣增壓。

鎂基儲(chǔ)氫安全性高。氫氣從氣態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)后，氫氣可以被儲(chǔ)存在鎂合金材料里，在常溫常壓下進(jìn)行長(zhǎng)距離運(yùn)輸，安全性大幅提高。2023年4月，全國(guó)首臺(tái)鎂基固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)氫車(chē)發(fā)布，該輛鎂基固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)氫車(chē)搭載12個(gè)儲(chǔ)氫罐，40尺大小，可以?xún)?chǔ)存1噸氫氣，是目前主流20MPa高壓長(zhǎng)管拖車(chē)的3倍以上，是常規(guī)（氣態(tài)儲(chǔ)氫）3~4倍的存儲(chǔ)量，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。車(chē)輛在常溫常壓下儲(chǔ)運(yùn)，安全性高；能夠適應(yīng)鐵路、公路、水路等不同的運(yùn)輸方式，適合長(zhǎng)距離、大規(guī)模氫運(yùn)輸。

鎂基儲(chǔ)氫化學(xué)反應(yīng)簡(jiǎn)單，無(wú)副產(chǎn)物，控制性良好。單質(zhì)鎂可以在高溫條件下與氫氣反應(yīng)生成MgH2，化學(xué)反應(yīng)方程式簡(jiǎn)單，反應(yīng)過(guò)程中沒(méi)有其他產(chǎn)物。

鎂基儲(chǔ)氫相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)近年研究成果頻出。鎂基儲(chǔ)氫研究團(tuán)隊(duì)主要包括上海交通大學(xué)丁文江院士團(tuán)隊(duì)、重慶大學(xué)潘復(fù)生院士團(tuán)隊(duì)、上海交通大學(xué)鄒建新教授團(tuán)隊(duì)。

鎂資源豐富

可滿(mǎn)足鎂基儲(chǔ)氫大規(guī)模應(yīng)用

中國(guó)鎂資源豐富，原料對(duì)外依存度低。鎂資源主要來(lái)源于菱鎂礦、含鎂白云巖、鹽湖區(qū)鎂鹽以及海水等，我國(guó)鎂資源類(lèi)型全，分布廣泛。中國(guó)菱鎂礦儲(chǔ)量?jī)H次于俄羅斯，位居全球第二。在國(guó)內(nèi)，菱鎂礦儲(chǔ)量相對(duì)集中且大型礦床多。中國(guó)含鎂白云石儲(chǔ)量也很豐富，現(xiàn)已探明儲(chǔ)量40億噸以上，遍及我國(guó)各省區(qū)。鹽湖鎂主要分布在西藏自治區(qū)的北部和青海省柴達(dá)木盆地，其中柴達(dá)木盆地的鎂鹽儲(chǔ)量占全國(guó)已探明儲(chǔ)量的99%。根據(jù)USGS數(shù)據(jù)，2022年我國(guó)菱鎂礦產(chǎn)量1700萬(wàn)噸，占全球總產(chǎn)量的63%。

進(jìn)口依賴(lài)度低，相較于鋁土礦石而言?xún)?yōu)勢(shì)明顯。我國(guó)鎂錠產(chǎn)量90萬(wàn)噸，占全球總產(chǎn)量的90%。

中國(guó)是鎂資源和原鎂生產(chǎn)大國(guó)，鎂合金的應(yīng)用推廣有著先天優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前，國(guó)資和民營(yíng)資本逐步進(jìn)入鎂合金行業(yè)，國(guó)內(nèi)核心整車(chē)廠也開(kāi)始不斷嘗試鎂合金產(chǎn)品的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)。

鎂基儲(chǔ)能材料可回收，對(duì)環(huán)境友好，反應(yīng)過(guò)程中無(wú)“三害”產(chǎn)生。國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局關(guān)于推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)指出，“新型儲(chǔ)能是支撐新型電力系統(tǒng)的重要技術(shù)和基礎(chǔ)裝備，對(duì)推動(dòng)能源綠色轉(zhuǎn)型有重要意義”，要求“以需求為導(dǎo)向，探索開(kāi)展儲(chǔ)氫、儲(chǔ)熱及其他創(chuàng)新儲(chǔ)能技術(shù)的研究和示范應(yīng)用”。新型儲(chǔ)能材料與裝備的發(fā)展是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵途徑和剛性需求，更是國(guó)家未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)力的重要體現(xiàn)，鎂基儲(chǔ)氫是新型儲(chǔ)能技術(shù)的重要選擇。

降低吸附氫所需溫度

是鎂基儲(chǔ)氫發(fā)展關(guān)鍵

降低吸附氫所需的溫度是鎂基儲(chǔ)氫發(fā)展的關(guān)鍵。MgH2熱力學(xué)穩(wěn)定性高但動(dòng)力學(xué)性質(zhì)差，只有在高溫下才有優(yōu)質(zhì)的吸附氫性能，且在吸放氫循環(huán)中，MgH2/Mg顆粒的團(tuán)聚和長(zhǎng)大導(dǎo)致循環(huán)穩(wěn)定性差。因此，為了使MgH2在儲(chǔ)氫應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用，必須調(diào)整其熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能，以降低鎂基儲(chǔ)氫吸附氫所需的溫度，放寬反應(yīng)條件。目前在改善MgH2/Mg體系儲(chǔ)氫性能方面，多使用納米化、合金化、添加催化劑、復(fù)合輕金屬配位氫化物等方法。

MgH2尺寸的納米化可以調(diào)控?zé)崃W(xué)和動(dòng)力學(xué)性能，有利于氫分子的吸附和擴(kuò)散。

當(dāng)塊體MgH2尺寸被減小至納米級(jí)別時(shí)，材料的比表面積、表面能、晶界密度都將發(fā)生顯著改變。高的表面能有利于氫分子的解離，納米顆粒表面與H2反應(yīng)的活性位點(diǎn)大量增加；由于尺寸的減小，H原子的擴(kuò)散距離隨之縮短，避免了H的長(zhǎng)程擴(kuò)散；大量的晶界為H原子的快速擴(kuò)散提供了通道。

合金化能有效降低鎂基儲(chǔ)氫材料吸附氫所需溫度，但是與過(guò)渡金屬合金化后材料的儲(chǔ)氫量會(huì)有明顯的降低。通過(guò)將Mg與過(guò)渡金屬?gòu)?fù)合，能夠制備出含有單相或多相的鎂基儲(chǔ)氫合金，合金的存在可以促進(jìn)氫的解離和吸附，添加的金屬元素與Mg和H結(jié)合生成次穩(wěn)定的氫化物而降低MgH2的穩(wěn)定性，多相邊界也可以為吸/放氫反應(yīng)提供大量的活性位點(diǎn)，從而改善Mg/MgH2儲(chǔ)氫體系的儲(chǔ)氫性能。

添加催化劑改性是最簡(jiǎn)單，最高效的方法。添加催化劑能在Mg/MgH2吸放氫過(guò)程中的H吸附、解離和H2分子的擴(kuò)散提供活性位點(diǎn)，改善其動(dòng)力學(xué)性能。目前，常用于改善Mg/MgH2體系性能的催化劑，主要是過(guò)渡金屬單質(zhì)、金屬氧化物、其他過(guò)渡金屬化合物和碳基材料等。

用輕金屬配位氫化物與MgH2構(gòu)建復(fù)合材料可以顯著增加體系的儲(chǔ)氫容量，改善熱力學(xué)性能，但動(dòng)力學(xué)性能仍有不足，仍需進(jìn)一步調(diào)整。輕金屬配位氫化物由于都是由輕質(zhì)元素組成，其理論儲(chǔ)氫容量要比其他傳統(tǒng)的固體儲(chǔ)氫合金高很多，學(xué)者使用多種材料進(jìn)行嘗試，實(shí)現(xiàn)了更高的吸放氫容量。