近日，我校学术副校长邹建新教授与剑桥大学Andrea C. Ferrari院士等在《Advanced Materials》发表了题为“Unlocking the Potential of Magnesium-Based Hydrogen Storage Composites via Advanced Thermodynamic and Kinetic Tuning Strategies”的综述论文。论文第一作者为上海交通大学赵颖燕博士，通讯作者为内蒙古科技大学/上海交通大学邹建新教授和剑桥大学Andrea C. Ferrari教授。
这篇综述聚焦镁基固态储氢材料从实验室走向实际应用的核心问题。作者系统梳理了催化、纳米结构与纳米限域、合金化以及光和微波辅助等调控策略，并进一步讨论机器学习、储氢反应器设计和技术经济性评价。文章强调，材料性能的提升不仅要体现在吸放氢速度上，还应转化为可逆容量、循环寿命和系统运行效率等方面的实际效益。
1．研究背景：从能源转型到镁基固态储氢
化石能源使用带来的碳排放压力，推动能源系统向低碳化转型。风能和太阳能等可再生能源的装机规模持续扩大，但其输出具有波动性，能源生产与使用在时间和空间上也未必匹配。氢气可以作为能源载体，连接可再生电力、工业生产、交通运输等环节。不过，氢气是否具有低碳优势，取决于其生产方式及整个供应链的能源来源。储存与运输是氢能从生产端进入应用端的关键环节。氢气在常温常压下的体积能量密度较低，因此通常需要高压压缩、低温液化，或借助储氢材料提高单位体积内的储氢量。不同路线各有适用条件，也分别面临设备、能耗和运行管理方面的要求。金属氢化物能够通过可逆反应储存氢气，为相对低压、高体积密度的储氢方式提供了选择。
在金属氢化物中，镁基材料受到广泛关注。镁资源丰富，氢化镁（MgH2）的理论质量储氢容量约为7.6 wt.%，材料层面的体积储氢密度约为110 kg m-3。然而，MgH2具有较高的热力学稳定性，放氢需要持续供热；氢分子解离、氢原子扩散及新相形核等过程又限制了反应速率。对纯MgH2而言，约280至300 °C时的平衡氢压才接近1 bar，实际测试中的起始放氢温度还可能超过300°C。由此可见，降低实验曲线上的放氢温度只是研究目标之一。材料还必须在可用容量、吸放氢速度、循环寿命及系统能耗之间取得平衡。
2．从催化界面到材料结构的协同调控
催化改性：从多组分金属基体系到缺陷工程氧化物。催化剂可以促进氢分子的解离与重组，并影响氢在界面处的传输以及Mg/MgH2相的形核。近年来，研究重点逐渐从单一催化组分转向多组分金属基体系。这类体系能够在同一材料中形成不同功能的反应界面。例如，YF3与Ni基碳材料组成的前驱体，在制备和吸放氢循环中生成钇氢化物、镁镍合金及其氢化物等相；二维PdNi前驱体则会重构为合金团簇和其他分散物种。它们说明，催化性能不能仅由最初加入的材料配方解释，循环过程中形成的活性相同样重要。
金属氧化物进一步拓展了界面调控方式。磷掺杂Li3VO4利用氧空位和局部配位变化改善催化活性及循环稳定性；缺氧钒氧化物可在反应过程中形成V/VH2相关活性相；负载于Nb2O5上的Ru单原子则展示了金属与氧化物载体相互作用的作用。氧化物、缺陷以及反应中新生成的金属或氢化物相，可能共同影响吸放氢过程。对于这类催化剂，下一步需要更清楚地识别实际工作界面，区分不同物相的贡献。同时，还要考虑催化剂用量、贵金属成本、复合材料的可逆容量和长期循环稳定性。
纳米结构化与限域：从无载体颗粒到一维、二维和三维载体。在没有载体的情况下，减小Mg或MgH2颗粒尺寸，可以增加反应表面、缩短氢的扩散距离。综述介绍的超细MgH2纳米颗粒研究展示了极小尺寸材料在低温放氢方面的潜力。不过，无载体颗粒易氧化、团聚或在循环中长大。纳米化带来的动力学改善，也不能直接等同于平衡热力学改变；后者通常需要在足够小的尺寸下，进一步考虑表面和界面能的影响。
引入载体的目的，是在反复吸放氢时保留纳米结构，并进一步调节材料界面。一维载体，如多孔碳纳米纤维和竹节状碳纳米管，可利用连续通道或内部腔室限制颗粒长大，并为催化组分提供分布空间。二维载体，如石墨烯、MXene和缺陷氧化物纳米片，可提供较大的接触界面。其中，MXene和氧化物除了承载颗粒，还可能通过表面位点或反应生成相参与催化。三维多孔骨架则可在不同方向约束颗粒，并容纳较高比例的镁基活性物质；单原子掺杂多孔碳和多孔碳网络是综述讨论的代表性体系。载体维度增加并不意味着性能必然更好。一维孔道可能被堵塞，二维片层可能重新堆叠，三维骨架的孔隙也未必都能有效填充或传热。因此，纳米限域研究的关键，正在从“把MgH2颗粒做小”转向“在足够高的活性物质负载量下，长期保留可接触、可传质的反应界面”。
合金化：同时考察相稳定性、反应速率与容量代价。与主要作用于反应界面的催化剂不同，合金化还可以改变吸氢相和放氢相的相对稳定性，形成新的储氢反应路径。Mg2Ni/Mg2NiH4是典型例子：其放氢反应焓低于Mg/MgH2体系，但Mg2NiH4理论质量储氢容量明显低于MgH2的7.6 wt.%。与此同时，元素取代、异质相界面和循环中生成的催化相，还可能进一步改善复合材料的反应动力学。合金化策略的实施，因而需要同时考虑、权衡三个问题：所形成的相能否稳定、可逆地循环？工作条件是否得到改善？以及这些收益能否弥补储氢容量的损失？
总体来看，催化改性、纳米结构设计和合金化并不是彼此孤立的路线。多组分催化剂会在循环中生成新相，载体既能限制颗粒长大也能构筑催化界面，合金化形成的相界面又可能加快吸放氢。综述由此将关注点从单项性能指标，推进到工作状态下的结构与界面如何协同影响可逆容量、反应速率和循环寿命。这也是后续评价外场辅助和系统应用的材料基础。
3．光与微波辅助：改变能量如何到达反应区域
多数镁基氢化物仍需热量驱动吸放氢。光照和微波辅助研究尝试改变能量的输入方式，使热量更快或更集中地作用于反应区域。综述介绍了从金属纳米颗粒局部光热效应，到兼具光吸收与催化功能的复合界面，再到材料自身具备宽光谱吸收能力的发展过程。其中，Cu@MXene相关研究报道了镁基固态储氢材料的首次太阳能驱动可逆储氢，并在所报道的30次光辅助循环后保持了5.9 wt.%的可逆容量。此外相关研究还提出，光生载流子可能与局部升温共同影响界面反应。例如，富氧空位SrTiO3与MgH2组成的体系中，光谱表征和计算结果支持载流子参与界面过程的可能性。但光照下放氢加快，并不等于MgH2本身的平衡反应焓因光照而降低。微波辅助同样需要区分材料吸收微波后产生的局部热效应，与可能存在的场特异性作用。
这些技术的机会在于把能量输入、催化界面和反应器设计结合起来；挑战则是准确测量材料内部温度，让光或微波有效作用于较厚的储氢床，并计入光电转换、微波发生器及热损失。只有与常规加热在明确的系统边界内比较，才能判断外场辅助是否真正降低了单位氢气的能耗。
4．机器学习：让材料筛选建立在可靠数据之上
催化、限域和合金化产生了大量关于成分、结构与储氢性能的数据。机器学习有望从中识别有效描述符，辅助筛选催化剂、优化材料配比，并确定值得优先验证的实验方案。综述介绍了基于Mg-H键合及氢原子间距预测脱氢势垒的研究，也讨论了机器学习原子间势在氢扩散模拟中的应用。
目前，该方向面临的主要限制并非缺少更复杂的算法，而是可用于训练的数据规模较小、测试条件差异大、部分关键参数报告不完整。同一个“起始放氢温度”数值，会受到升温速率、样品状态和测试方法影响。若不记录这些条件，模型可能学到的是测试方案之间的差别，而非材料本身的规律。未来更有价值的路径，是建立可追溯的数据集，结合物理机制选择特征，再通过独立实验检验预测结果。模型优化目标也应同时考虑容量、平衡压力、反应速度、循环稳定性、成本和使用条件，而不是只追求更低的起始温度。
5．系统集成与工程示范：镁基储氢的应用场景与关键挑战
实验室中的快速吸放氢，不一定能直接转化为大型储氢装置中的快速供氢。镁基材料吸氢放热、放氢吸热，反应床内部还存在导热、供气和体积变化问题。换热器有助于控制温度，却增加设备质量并占用储氢空间；床层膨胀、颗粒接触变化和气流分布不均，也会影响长期运行。综述梳理了反应器建模和工程示范方面的进展。其中，一项已报道的约1200kg镁镍基储氢材料原型系统，在12h内完成了75.3 kg氢气的储存与释放。这类示范表明镁基储氢具备扩大装置规模的基础，同时也把评价重点从单一样品容量，推进到供氢时间、换热效率、设备质量和运行可靠性。该实例是综述引用的已有工作，并非本综述新增的工程试验。
不同应用场景对储氢系统的要求并不相同。可调度的固定式储氢、与可再生能源制氢耦合的缓冲储存，以及能够利用工业余热的场景，更容易发挥镁基材料高体积储氢密度和相对低压运行的优势。热化学储热也是其可探索的方向。对于要求频繁启停、快速供氢且缺少合适热源的场景，则需要更加审慎地评估。技术经济性分析必须纳入可用储氢量、换热设备、辅助能耗、材料寿命和交付氢成本，才能判断材料性能提升是否带来了真实的系统收益。
6．总结与展望
这篇综述提出，镁基储氢研究正在从单项性能优化，走向材料、反应器和应用场景的协同设计。下一阶段有四项工作尤其关键。首先，应在报告性能数据时说明测试条件和容量计算基础，让不同研究的结果能够得到准确解释。其次，需要通过原位表征与循环后的结构分析，识别真正发挥作用的催化相，并弄清氧化、颗粒长大和界面失效如何影响寿命。再次，材料设计应提前考虑床层导热、装填密度、换热器质量和目标供氢速率，避免粉末性能在装置放大后难以保持。最后，机器学习应与实验验证、反应器模拟及技术经济分析衔接，围绕具体应用目标优化材料，而不是孤立地预测某一项性能。
【文章信息】：
http://Advanced Materials (2026), e75618.
http://doi.org/10.1002/adma.75618
作者简介
邹建新（通讯作者）：内蒙古科技大学学术副校长，上海交通大学材料学院特聘教授、教育部高层次人才、英国皇家化学会会士、国家重点研发计划首席科学家、氢电储能联合实验室主任。主要从事镁基能源材料方面的基础研究与应用开发工作，已在Science、Energy Environ. Sci、Adv. Mater.等期刊上发表论文220余篇，被引超过11000次，入选“全球前2%顶尖科学家”终身榜，担任Nano-Micro Lett.，Carbon&Hydrogen等国际期刊副主编；获得发明专利30多项，其中9项专利转让于企业，授权PCT专利3项，日本专利1项，美国专利2项。曾获2023年中国有色金属工业科学技术奖一等奖，2024年中国产学研合作促进会创新成果一等奖，2021年国际镁学会年度产品奖，2023年国际镁协未来技术奖，2024年IEA Hydrogen TCP奖，2026年日内瓦国际发明展特许金奖等。
Andrea C. Ferrari（通讯作者）：剑桥大学石墨烯研究中心创始人兼主任、纳米技术教授，英国皇家学会沃尔夫森奖获得者，英国皇家工程院院士，曾任欧盟石墨烯旗舰计划执行委员会主席。作为石墨烯及二维材料研究领域的国际权威，他聚焦石墨烯、碳纳米管、类金刚石碳及纳米线在电子与光子器件中的应用研究，主导了剑桥大学石墨烯研究中心在医疗健康、量子技术、6G通信等前沿领域的科研布局。在Science，Nat. Nanotechnol.，Nat. Mater.，Nat. Photonics等顶级期刊发表论文260余篇，论文总被引超63000次，H因子达92。荣获包括ACS Nano Award Lectureship，Charles E. Pettinos Award、European Research Council Synergy Award在内的多项国际学术荣誉。
赵颖燕（第一作者）：上海交通大学氢科学中心博士后，研究方向为氢能高效存储与转化。以第一作者/通讯作者在Adv.Mater.，Adv. Energy Mater.，Adv. Funct. Mater., J. Magnes. Alloy和J. Mater. Chem. A等高水平期刊上发表相关论文10余篇（1篇ESI高被引），承担国家重点研发计划子课题1项，参与国家重点研发计划项目1项，国家自然科学基金面上项目2项，主持横向项目2项，入选上海市2023年度“超级博士后”激励计划，获2026年日内瓦国际发明展特许金奖。
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