综述：二维MXene材料：从合成到储氢——探索其作为氢能存储火花材料的潜力

这篇综述系统探讨了二维过渡金属碳/氮化物（MXene）在氢能存储领域的突破性进展。文章详细分析了MXene材料通过物理吸附（physisorption）、化学吸附（chemisorption）和库巴斯相互作用（Kubas-type interaction）实现8.6 wt.%理论储氢容量的机制，重点阐述了其在降低MgH2、LiBH4等金属氢化物工作温度（如Ti3C2使MgH2脱氢峰值温度降低122°C）中的催化作用，为开发环境友好型储氢材料提供了新思路。

　　

引言

在全球能源转型背景下，氢能因其33 kWh/kg的高能量密度和零碳排放特性成为化石燃料的理想替代品。然而氢气的低临界温度（-240.15°C）和低体积密度仍是存储技术的主要瓶颈。传统高压压缩（70 MPa）和低温液化（-253°C）存在安全隐患和能耗过高问题，而金属氢化物虽具高容量（如MgH₂达7.6 wt.%）却受限于强金属-氢键导致的慢动力学（活化能187 kJ/mol）和高脱附温度（>300°C）。

MXenes的独特优势

2011年发现的MXene材料（通式M_n+1X_nT_x）因其可调层间距（0.3-1 nm）和表面终止基团（-OH/-F/=O）展现出革命性储氢潜力。理论计算表明Ti₂C MXene通过三重机制实现8.6 wt.%储氢：化学吸附（1.7 wt.%，5.0 eV/H₂）、物理吸附（3.4 wt.%，0.103 eV/H₂）和库巴斯相互作用（3.4 wt.%，0.269 eV/H₂）。其中库巴斯键的适度结合能（0.2-0.4 eV）使其能在300-400 K实现可逆吸脱附。

催化改性突破

MXene作为催化剂载体表现卓越：Ni@Ti-MX复合材料使MgH₂在250°C下15分钟释放5.2 wt.%氢气，吸收速率提升至125°C/25秒完成5.4 wt.%存储。这种增强源于MgH₂@Mg₂NiH₄核壳结构的形成和MXene界面电子耦合作用。类似地，Ti₃C₂使LiBH₄脱氢温度从180°C降至120°C，活化能降低62.7%。

未来发展方向

优化MXene的层间工程（如V₂C掺杂使层间距扩大15%）和表面官能团调控（-O终止基提升H₂结合能20%）是提高容量的关键。开发双金属MXene（如Ti₂VC₂）可协同优化热力学与动力学性能，其100次循环后仍保持6.1 wt.%的容量稳定性。太阳能驱动储氢系统与MXene的光热转化特性结合，可能突破传统热力学限制。

结论

MXene材料通过其独特的二维结构和表面化学特性，为实现美国能源部（DOE）制定的5.5 wt.%储氢目标提供了可行路径。未来研究应聚焦于精确控制缺陷工程（如碳空位使氢扩散势垒降至0.72 eV）和多尺度界面设计，推动氢能经济从实验室走向产业化应用。