钛介导氢化Mg2Si生成MgH2的低温热解与水解性能研究

为解决Mg2Si氢化动力学障碍问题，上海交通大学团队通过钛(Ti)辅助氢化高能球磨(HHBM)技术，成功将Mg2Si转化为纳米MgH2，转化率达76%。该材料在114.3°C启动脱氢，5°C水解产氢效率达91.9%，为镁基储氢系统提供了新策略。

　　

在全球能源转型背景下，氢能因其142 MJ/kg的高能量密度成为化石燃料的理想替代品。然而，安全高效的储氢技术仍是制约氢能应用的关键瓶颈。镁氢化物(MgH₂)虽具有7.6 wt.%的高储氢容量，但其强Mg-H键导致脱氢温度需超过300°C，且Mg₂Si的再氢化面临极高动力学势垒（需1709 bar/300°C），严重阻碍实际应用。

针对这一挑战，上海交通大学氢科学中心与轻合金精密成型国家工程研究中心的研究团队创新性地采用钛(Ti)介导的氢化高能球磨(HHBM)技术，成功实现了Mg₂Si在温和条件下的高效氢化。通过X射线衍射(XRD)和像差校正透射电镜(AC-TEM)证实，该方法可将Mg₂Si转化为与TiSi₂紧密接触的纳米MgH₂，转化率高达76%。相关成果发表于《Journal of Magnesium and Alloys》。

研究团队运用氢化高能球磨(HHBM)、原位同步辐射X射线衍射(ISXRD)、差示扫描量热法(DSC)等技术，系统表征了材料的相变行为与储氢性能。通过温度程序脱附(TPD)和压力-成分-等温线(PCI)测试，结合Kissinger方程计算反应活化能，揭示了TiSi₂/MgH₂界面的催化机制。

3.1 Ti诱导Mg₂Si氢化机制
AC-TEM显示Ti优先与Si形成TiSi₂（晶面间距0.229 nm），同时释放的Mg与氢生成纳米MgH₂（晶面间距0.310 nm）。X射线光电子能谱(XPS)证实Si 2p结合能从97.87 eV移至98.01 eV，表明Mg-Si键被Ti-Si键取代。

3.2 储氢动力学提升
材料在114.3°C即启动脱氢，225°C下7分钟可完全放氢，活化能仅84.08 kJ/mol，比商用MgH₂降低47%。室温(25°C)吸氢30分钟内可达最大容量的89.1%，这归因于γ-MgH₂相（高压变体）的原位形成和TiSi₂的界面催化作用。

3.3 相变过程解析
ISXRD动态监测发现283°C时部分TiSi₂会转化为Mg₂Si，而TiSi₂在循环中保持稳定，其与MgH₂的紧密接触（晶格匹配角55°）为氢原子扩散提供了高效通道。

3.4 水解性能突破
纳米结构使材料在5°C低温下水解产氢量达528.63 mL/g（理论值的91.9%），较未氢化样品提升5.6倍。扫描电镜(SEM)显示水解产物具有更多缺陷结构，显著提升反应活性。

该研究不仅为Mg-Si储氢系统提供了76%转化率的可行方案，更开创了通过机械化学法原位制备纳米MgH₂/TiSi₂复合材料的全新路径。材料兼具优异热力学（ΔH=77.07 kJ/mol H₂）与动力学性能，其低温水解特性尤为适合应急氢能供应场景。研究团队提出的"界面催化-晶格应变"协同机制，为设计新一代复合储氢材料提供了重要理论依据。