立足国家氢能发展战略，紧扣青海世界级盐湖产业基地与国家清洁能源产业高地建设需求，高效安全储氢是制约氢能规模化应用的关键瓶颈，攻克该难题，有望同步破解青海绿电消纳与盐湖镁资源高值化利用的双重科学难题。固态储氢材料凭借高体积储氢密度、安全性突出等优势，已成为氢能领域重点研究方向。依托盐湖特色资源优势，以盐湖基氢化镁（MgH2）储氢容量高、原料储量丰富、成本优势显著，是极具产业化潜力的固态储氢候选体系。但MgH2仍存在吸放氢动力学缓慢、易受空气中氧和水汽侵蚀发生氧化中毒、循环吸放氢过程中体积反复胀缩引发界面剥离等突出问题。如何协同提升其吸放氢动力学性能、空气稳定性与循环结构稳定性，是盐湖镁基固态储氢材料走向实际应用亟需攻克的难题。
针对上述技术痛点，中国科学院青海盐湖研究所镁基储氢材料课题组刘虎研究员团队锚定盐湖镁资源高值化利用主线，以青海盐湖氯化镁电解制备的镁锭为原料，开展MgH2低温脱氢技术研究，提出多尺度结构与电子结构协同调控新策略，构建了以负载不对称Ni-N3单原子位点与 Ni纳米颗粒的氮掺杂石墨烯（NiSAs-NPs/NG）作为催化保护层的 MgH2复合储氢体系。团队综合利用球差校正透射电子显微镜、同步辐射表征技术，并结合密度泛函理论（DFT）计算，从原子、电子层面系统阐明了复合体系的催化机理、抗空气氧化机制以及结构稳定机制，为耐空气型盐湖镁基储氢新材料的设计开发提供了全新思路。
机制研究表明，不对称Ni-N3单原子位点与Ni纳米颗粒间存在强电子相互作用，可有效调控活性位点局域电子结构，加速氢分子解离与氢物种界面迁移。在吸放氢循环过程中，部分Ni纳米颗粒能够与MgH2发生原位反应，生成Mg2Ni“纳米铆钉”结构，一方面活化Mg-H键、加快氢原子输运；另一方面作为碳骨架与镁基基体之间的锚固节点，缓冲吸放氢过程体积变化带来的界面应力，抑制材料结构剥离。同时，柔性氮掺杂石墨烯网络构筑空间防护屏障，阻隔氧气、水汽对 MgH2活性基体的侵蚀，最终实现催化活性与环境稳定性协同提升。
图1. NiSAs-NPs/NG催化剂的形貌与结构表
性能测试结果显示，当催化剂添加量为7 wt%时，复合储氢材料初始放氢温度降至190 ℃，实现低温脱氢，有效放氢容量可达6.5 wt%。该材料兼具优异的抗空气中毒能力与长循环稳定性，空气暴露7天后，吸放氢性能无明显衰减；300 ℃条件下连续360次吸放氢循环后，储氢容量保持率高达95%；累计28天空气暴露并经多次吸放氢测试后，材料仍保持良好的长期环境适应性。
图2. NiSAs-NPs/NG-MgH2复合材料的吸放氢动力学及抗毒化性能。
该研究充分挖掘盐湖镁资源在氢能存储领域的应用潜力，开辟了盐湖镁资源高值化转化的新路径，为支撑青海世界级盐湖产业基地、国家清洁能源产业高地建设，提供了具有盐湖特色的储氢材料技术储备。
相关研究成果以“Spatial-Decoupled Synergy Between Asymmetric Ni-N3 Sites and Ni Nanoparticles Extending the Air-Tolerant Poisoning Limit of MgH2 Hydrogen Storage”为题，发表于国际能源材料领域权威期刊《Advanced Energy Materials》（IF：25.5，中国科学院一区TOP期刊）。田洁博士为论文第一作者，李文锋副研究员、黄勃龙教授、马振辉教授、刘虎研究员为论文共同通讯作者。中国科学院青海盐湖研究所为论文第一署名单位。
本研究得到中国科学院青年人才项目、国家自然科学基金、青海省科技创新基地建设项目、青海省2024昆仑英才高端创新创业人才计划等项目资助。
论文链接：http://doi.org/10.1002/aenm.71810。