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動(dòng)力學(xué)曲線測試是評(píng)估儲(chǔ)氫材料性能的重要手段，它能有效表征儲(chǔ)氫材料的儲(chǔ)氫與脫氫條件、吸脫附速率以及活化能等關(guān)鍵參數(shù)。這些參數(shù)對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估材料質(zhì)量、明確材料改性方向具有重要參考價(jià)值。如圖3為鎂基儲(chǔ)氫材料動(dòng)力學(xué)曲線表征案例，通過吸氫和放氫的動(dòng)力學(xué)分析，可得到材料的吸脫氫的速率情況。此外，動(dòng)力學(xué)測試的意義不止于考察儲(chǔ)氫與脫氫的條件及速率，它還能深入表征材料儲(chǔ)氫與脫氫過程所需的能量。燕山大學(xué)沈同德老師課題組合成了摻雜Ni/C納米催化劑的MgH₂復(fù)合材料(MgH₂-Ni/C)，并采用國儀量子高壓儲(chǔ)氫吸附儀進(jìn)行了儲(chǔ)氫動(dòng)力學(xué)曲線測試^[3]。

如圖4所示，在2 MPa的氫氣壓力下，將兩種材料在100℃下的吸氫動(dòng)力學(xué)曲線進(jìn)行對(duì)比，MgH₂-Ni/C在100分鐘內(nèi)吸氫量為4.89 wt.%，而未摻雜的MgH₂吸氫量只有2.05 wt.%（圖4a），催化劑的摻入顯著加快了MgH₂的吸氫速率；再進(jìn)一步通過阿倫尼烏斯（Arrhenius）擬合圖（圖4f）計(jì)算得到MgH₂-Ni/C的吸氫活化能為48.9±1.1 kJ mol^-1，顯著低于未摻雜的MgH₂的75.6+4.1 kJ mol^-1。可見，Ni/C催化劑的加入顯著降低了吸氫反應(yīng)的能壘，吸氫動(dòng)力學(xué)得到了有效改善。

圖3 鎂基儲(chǔ)氫材料動(dòng)力學(xué)曲線測試

左圖：吸氫動(dòng)力學(xué)曲線，右圖：脫氫動(dòng)力學(xué)曲線

圖4 (a) MgH₂ -Ni /C和MgH₂在100℃時(shí)的儲(chǔ)氫動(dòng)力學(xué)曲線；(b) MgH₂ -Ni /C和MgH₂ (c)在不同溫度下氫氣壓力為2 MPa時(shí)的儲(chǔ)氫動(dòng)力學(xué)曲線；(d) MgH₂ -Ni /C和MgH₂ (e)的JMAK圖；(f) MgH₂ -Ni /C和MgH₂的阿倫尼烏斯(Arrhenius)圖^[3]。

通過程序升溫脫附（TPD）及程序升溫吸附（TPA）測試，可評(píng)價(jià)儲(chǔ)氫材料在特定條件下的儲(chǔ)脫氫行為及儲(chǔ)脫氫溫度，為儲(chǔ)脫氫的機(jī)理分析提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。如圖5所示，通過TPD曲線測試（左圖），可知此鎂基儲(chǔ)氫材料在190℃時(shí)開始脫氫；通過TPA曲線測試（右圖）可知，此合金儲(chǔ)氫材料在200℃時(shí)，其吸附量會(huì)有一個(gè)陡然上升階段，也即在200℃時(shí)開始大量吸氫。此外，鐘教授團(tuán)隊(duì)通過采用國儀量子高壓儲(chǔ)氫吸附儀的程序升溫脫附（TPD）測試功能進(jìn)一步考察了材料的脫附活化能^[1]。如圖6所示，根據(jù)TPD數(shù)據(jù)（圖6a和6b），采用Kissinger方程計(jì)算了Mg-10wt% CeAl₃@CeH₂和Mg-20wt% CeAl₃@CeH₂的脫氫活化能，分別為115.8和99.1 kJ/mol H₂, 和最近報(bào)道的一些鎂基儲(chǔ)氫材料相比，CeAl₃@CeH₂的摻雜使脫氫活化能均有所降低。

圖5 鎂基儲(chǔ)氫材料TPD曲線測試（左圖），合金儲(chǔ)氫材料TPA曲線測試（右圖），其中藍(lán)色線為濃度曲線，紅色線為升溫速率曲線。

圖6 TPD測試曲線(a)和(b)；基于TPD數(shù)據(jù)(c)和(d)的Kissinger圖；(a)和(c): Mg-10wt% CeAl₃@CeH₂；(b)和(d): Mg-20wt% CeAl₃@CeH₂^[1]。

對(duì)于儲(chǔ)氫材料而言，穩(wěn)定性及循環(huán)儲(chǔ)脫氫性能也是評(píng)價(jià)材料儲(chǔ)氫性能的重要指標(biāo)，通過循環(huán)壽命測試，能清晰地展現(xiàn)出材料在多次儲(chǔ)氫、脫氫循環(huán)后，其性能的變化趨勢，為判斷材料能否滿足實(shí)際應(yīng)用需求提供了重要依據(jù)。如圖7所示，分別是不同的鎂基儲(chǔ)氫材料的循環(huán)測試案例，可發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)氫材料經(jīng)過10圈循環(huán)后（左圖），其儲(chǔ)氫濃度有一個(gè)明顯的持續(xù)下降趨勢，而右圖儲(chǔ)氫材料，經(jīng)過30圈的循環(huán)測試，其儲(chǔ)氫濃度基本維持在初始水平，具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性能。此外，燕山大學(xué)沈同德老師課題組采用我司高壓儲(chǔ)氫吸附儀的自動(dòng)循環(huán)測試功能來評(píng)價(jià)材料的壽命情況^[3]。如圖8所示，與MgH₂相比，MgH₂-Ni/C具有更優(yōu)越的循環(huán)性能(圖8a和8b)，MgH₂-Ni/C和MgH₂的初始吸氫量分別為6.08 wt.%和6.81 wt.%，經(jīng)過50次循環(huán)后，MgH₂-Ni/C保持6.01 wt.%（初始容量的98.8%）的高容量，而MgH₂的容量較低，為5.80 wt.%（初始容量的85.2%）（圖8c），MgH₂-Ni/C的吸氫容量在循環(huán)過程中保持穩(wěn)定，而未摻雜的MgH₂的容量在前5次循環(huán)中有大幅下降并逐漸遞減。

圖7 不同鎂基儲(chǔ)氫材料循環(huán)壽命測試曲線 

左圖：10圈循環(huán)，右圖：30圈循環(huán)

圖8 (a) MgH₂ -Ni /C和MgH₂ (b)在300℃時(shí)的循環(huán)壽命測試曲線, REH和DEH分別代表加氫和脫氫；(c) MgH₂ -Ni /C和MgH₂的循環(huán)容量（吸氫量）比較^[3]。

[1] Zhong, Haichang, et al. "Superior de/hydriding kinetics and cycling stability of Mg-CeAl3@ CeH2 nanocomposites." Journal of Alloys and Compounds 1010 (2025): 177484.

[2] Zhong, H. C., et al. "Microstructure and hydrogen storage properties of Mg–Sn nanocomposite by mechanical milling." Journal of Alloys and Compounds 509.11 (2011): 4268-4272.

[3] Ding S, Qiao Y, Cai X, et al. A novel carbon-induced-porosity mechanism for improved cycling stability of magnesium hydride[J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2024.