基于"爆发效应"的镁氢化物需求驱动动态加热策略：超快低能耗脱氢新方法

针对MgH2脱氢动力学缓慢和能耗高的瓶颈问题，河北工业大学团队提出需求驱动动态加热(DDDH)策略。该研究通过同步热供给与反应阶段特异性能量需求，实现脱氢时间减少57.99%、火用效率提升3.23%，为固态储氢系统优化提供创新性热管理方案。

　　

在全球碳中和背景下，氢能因其高能量密度和零排放特性成为能源转型的关键支柱。然而，大规模氢存储仍是制约可再生能源并网的技术瓶颈。镁氢化物(MgH₂)凭借7.6 wt%的储氢密度和110 g/L的容积密度成为最具前景的固态储氢材料，但其实际应用长期受限于缓慢的脱氢动力学和高达873 K的操作温度。传统研究多孤立优化储罐热传导或材料催化性能，忽视了脱氢过程中动态能量壁垒的"爆发效应"(burst effect)，导致系统级能效提升遭遇瓶颈。

河北工业大学研究团队在《Journal of Energy Storage》发表创新成果，提出需求驱动动态加热(Demand-Driven Dynamic Heating, DDDH)策略。该研究通过建立首个考虑动态能量壁垒的脱氢动力学模型，发现MgH₂脱氢过程存在显著阶段性特征：表面层脱氢需要最高能量壁垒(约160 kJ/mol)，随着反应进行，能量壁垒逐步降低并稳定在85 kJ/mol。基于此，团队设计出非等温的动态加热曲线，在反应初期采用873 K峰值温度快速突破能量壁垒，后期降至573 K维持反应，实现热供给与材料本征动力学特性的精准匹配。

关键技术方法包括：1) 通过密度泛函理论(DFT)计算获得分层脱氢能量壁垒曲线；2) 建立包含动态活化能参数的改进Avrami-Erofeev动力学模型；3) 对带翅片/无翅片两种储罐进行多物理场耦合模拟；4) 采用火用(exergy)分析量化系统级能效。

研究结果揭示：

1. 数学建模：建立考虑动态活化能(E_a)和指前因子(A)的改进动力学方程，发现E_a随转化率(α)增加呈指数衰减，A值则呈现三段式变化规律。

2. DDDH策略：相比传统等温加热，DDDH使无翅片储罐脱氢时间缩短57.99%，带翅片储罐火用效率提升3.23%。在非绝热条件下仍保持性能优势，验证了工程适用性。

3. 参数优化：确定873 K峰值温度与573 K平衡温度的最佳组合，此时系统既克服初始高能垒，又避免后期过热造成的能量浪费。

4. 结构对比：带翅片储罐在DDDH策略下展现更均匀的温度场分布，验证热传导强化与动态加热的协同效应。

该研究突破性地将材料本征动力学特性与系统热管理相结合，首次实现从分子层面能量壁垒到工程尺度热供给的跨尺度调控。其重要意义在于：1) 提出不依赖硬件改造的能效提升路径，可直接应用于现有储氢系统；2) 建立"材料-器件-系统"协同优化范式，为其他固态储氢材料提供研究模板；3) 通过最高降低58%的脱氢时长，大幅提升MgH₂储氢系统的电网调频响应能力。研究团队特别指出，DDDH策略的成功实施依赖于对MgH₂脱氢"爆发效应"的定量解析，这一发现将推动更多基于材料本征特性的智能热管理策略发展。

值得注意的是，该策略在Jianghao Cai等作者设计的实验体系中展现出显著优势，其创新性在于跳出传统"恒温加热"思维定式，开创性地将材料科学发现转化为工程解决方案。这种交叉学科研究思路，不仅为镁基储氢系统走向实际应用扫清障碍，也为其他受限于动力学瓶颈的能量存储技术提供重要启示。