北京大学Energ. Environ. Sci.：Mg-Y合金薄膜协同作用实现高容量可逆储氢, 有望成为下一代金属氢化物电极

【引言】

金属氢化物（MH）电极是镍氢（Ni-MH）电池和氢燃料（MH-air）电池等的关键材料。经典的MH电极是AB型，所含的B组分通常认为是反应焓调变和电化学活性所不可缺少的非吸氢元素，但该组分对储氢容量没有贡献，因此导致该类型电极的储氢容量始终低于1.4 wt%（或者372 mAh g^-1）。现有研究大多通过开发AB₃，A₂B7和A₅B₁₉型材料来降低B组分的比例，但该方法对容量的提高非常有限（通常<400 mAh g^-1），不能满足新一代电子设备及电动车的要求。本文介绍了Mg₂₄Y₅金属间化合物，利用协同作用实现了反应焓的调控及优异的循环性能，因为不存在B组分，从而实现了高达1500 mAh g^-1的容量及可逆循环性能。该研究为设计高容量MH电极提出了一个新的视角，有望推动镍氢电池和氢燃料电池的发展。

【成果简介】

日前，北京大学李星国教授和北京科技大学田文怀教授（共同通讯作者）等人报道了一种Mg₂₄Y₅金属间化合物储氢材料。该材料中的Mg和Y皆为强吸氢元素，有别于经典的储氢合金的设计规律，其可实现室温条件下的高容量及优异的循环性能，为高容量储氢材料的设计策略提供了新的启示。该成果以“Synergism induced exceptional capacity and complete reversibility in Mg-Y thin films: enabling next generation metal hydride electrodes”为题于2018年4月9日刊发在Energy & Environmental Science上, 文章第一作者是傅凯博士。

【图文导读】

图一 初始薄膜的结构特点

（a）薄膜结构及加氢/脱氢过程示意图

（b）沉积在硅衬底上的Mg_0.82Y_0.18/Pd薄膜截面SEM照片

（c）Mg/Pd，Mg_0.82Y_0.18/Pd，Mg_0.66Y_0.34/Pd和Y/Pd薄膜的XRD图谱

（d）Mg/Pd薄膜的SEM照片

（e）Mg_0.82Y_0.18/Pd薄膜的SEM照片

（f）Y/Pd薄膜的SEM照片

（g）Mg_0.82Y_0.18/Pd薄膜的TEM照片，其中插图为对应的电子衍射图

（h）Mg_0.82Y_0.18/Pd薄膜的HRTEM照片

图二 不同薄膜的放电容量对比

（a）不同薄膜的放电容量与理论值的对比

（b）不同薄膜的放电曲线

图三 电化学储氢过程的原位光学透射率测试

（a）首次恒流充/放电循环的原位电势和光学透射率曲线

（b）Mg₂₄Y₅/Pd样品首次恒流充/放电循环的表观状态

（c）Mg₂₄Y₅/Pd薄膜不同充/放电状态下的XRD图谱

（d）Mg₂₄Y₅/Pd薄膜不同充/放电状态下的示意图

图四 Mg₂₄Y₅/Pd薄膜的循环稳定性

恒流充/放电过程中的原位电势（红线）和投射率（绿线）曲线

图五 Mg₂₄Y₅/Pd薄膜的电化学储氢机理

（a）通过Mg₂₄Y₅/Pd薄膜放电曲线获得的氢化学电势图与反应过程中吉布斯自由能变量的对比

（b）两种可能的能级路线图。逐步脱氢作用的机理为路线2

图六 不同电化学组合的理论能量密度的对比

（a）典型MH电极的理论容量对比；插图为Ni- Mg₂₄Y₅H电池点亮的发光二极管的数码照片

（b）镍氢电池和氢燃料电池的示意图

（c）基于不同正负极的电化学组合的理论能量密度对比

【小结】

Mg₂₄Y₅薄膜电极表现出的可逆电化学储氢容量高达1500 mAh g^-1。通过电化学储氢过程与光学透射率的原位测试，揭示了Mg₂₄Y₅薄膜脱氢的机理和氢化行为与Mg/Y比例的关系。YH₃相提供了H的快速扩散通道，对于在电化学储氢中相对惰性的Mg的完全氢化起到了至关重要的作用。同时，MgH₂与YH₂的协同脱氢机制突破了YH₂分解的热力学限制。这种非经典的储氢合金金属间化合物为设计高容量的储氢材料提供一个新的思路。

文献链接： Synergism induced exceptional capacity and complete reversibility in Mg-Y thin films: enabling next generation metal hydride electrodes(Energ. Environ. Sci., 2018, DOI: 10.1039/C7EE03628K)

【团队介绍】

李星国教授和郑捷副教授领导的北京大学化学与分子工程学院新能源与纳米材料课题组的研究方向是金属纳米材料在能量存储和转化领域的应用，包括储氢/化学制氢材料、合金型锂电池负极材料、非贵金属电催化材料。

本文由材料人编辑部马元编辑，周梦青审核，点我加入材料人编辑部。

材料测试、数据分析，上测试谷！