北航Nature nanotechnology: 用于室温储氢的未完全刻蚀的多层Ti2CTx

【引言】

氢存储是氢能经济中的关键环节，对燃料电池汽车(FCVs)至关重要。当前的燃料电池汽车使用压缩氢气，这限制了其体积能量存储密度和安全性。固态储氢材料有望克服这些问题，成为了目前研究的热点。对于车载应用，储氢材料应满足以下综合要求：高质量和体积比能量，良好的储存稳定性和循环稳定性，高安全性且低成本。迄今为止，已经开发了多种固态氢存储材料，根据载体和H₂之间的相互作用不同可以将存储机制分为两种。一些具有高比表面积的多孔材料可以通过物理吸附捕获氢分子。其比容量高，具有出色的动力学性能和优异的循环性能。但是，由于吸附力弱，物理吸附必须在极低的温度和高氢气压力下运行。金属氢化物是更实用的材料，可通过化学键捕获氢。LaNi₅，由于其对氢的适当化学吸附强度，可以在环境条件下存储/释放氢，但其存储容量相当低（小于2 wt％）。轻质金属氢化物，如Mg系材料，具有高储氢容量的优点。但是，过强的化学键导致很难释放氢，通常需要300-400°C的高温才能克服热力学能垒。高温运行会带来高的热管理成本，并使储氢系统复杂化。

【成果简介】

近日，北京航空航天大学水江澜教授团队报道了一种通过不完全氢氟酸蚀刻制备的多层Ti₂CT_x（T为官能团）材料，并将其用于可逆的储氢材料。此类Ti₂C片装饰有丰富的氟（-F）基，并且层间距离很窄，约为7Å，从而形成了纳米泵效应辅助的对氢的弱化学吸附。所制备的Ti₂CT_x在60 bar的相对安全压力下可以吸收超过8.8wt％的氢。与目前的室温储氢材料相比，Ti₂CT_x具有低压储氢的优势，几乎是以前报道的在相同压力下的材料最高储氢能力的两倍。即使在完全环境条件（25°C和1bar空气压力）下，Ti₂CT_x仍然可以保留4wt％的氢。此外，其氢气释放的动力学也很快且可以控制，运行温度低于95℃。相关研究成果以“Hydrogen storage in incompletely etched multilayer Ti₂CT_xat room temperature”为题发表在Nature Nanotechnology上。

【图文导读】

图一Ti₂CT_x的结构表征

（a）具有喇叭口形貌特征和层间残留Al的Ti₂CT_x纳米片的HAADF-STEM图像。

（b）多层Ti₂CT_x的HAADF-STEM图像。

（c）以Ti₂AlC为参考的Ti₂CT_x的XRD谱图。

（d，e）多层Ti₂CT_x的Al 2p Ti 2p XPS谱图。

（f）在Ti₂CT_x窄层层间的氢存储过程示意图。

图二Ti₂CT_x的储氢性能

（a）Ti₂CT_x与一些代表性的室温储氢材料，即Kubas型材料和金属氢化物的氢吸附等温线的比较。

（b）Ti₂CT_x在最初几个循环中的氢吸附和脱附曲线。

（c）初始的，氢化的和脱氢的Ti₂CT_x的XRD图。

（d）在不同温度和压力下的氢脱附曲线。

（e）点燃氢化的Ti₂CT_x粉末压片的红外图像和照片。

图三Ti₂CT_x中氢存储的关键结构因素

（a）具有不同层间距的MXene（Ti₂CT_x和Ti₃C₂T_x）的XRD图谱。

（b）相应的氢吸收曲线。

（c）Ti₂C(OH)_x的两个初始氢吸收动力学曲线。

（d）在第一次氢化/去氢循环前后，Ti₂CT_x和Ti₂C(OH)_x的FTIR光谱。

图四Ti₂CT_x中储氢的机理分析

（a）带有H₂分子嵌入的Ti₂C堆叠层状的结构。

（b）每个嵌入的H₂的吸附能E_ab变化。

（c）原始和氢化的Ti₂CT_x的1 H NMR光谱。

（d）原始和氢化的Ti₂CT_x的TPD曲线。

（e）氢化和脱氢Ti₂CT_x的FTIR谱图。

【小结】

总之，本文展示了一种室温储氢材料，即未完全刻蚀的Ti₂CT_x并研究了其储氢机理。

在〜50-60bar的压力下，可逆储氢量达到8wt％以上，是以前报道的在相同压力下室温储氢材料的两倍。氢释放是快速且可控的。此外，Ti₂CT_x显示出良好的氢气吸附/脱附循环能力。作者的研究表明，狭窄的层间距离和-F官能团是Ti₂CT_x中储氢的关键结构参数。它们诱导了纳米泵效应辅助的弱化学吸附，在氢气和Ti₂CT_x之间产生了适当的相互作用，从而使Ti₂CT_x的层间空间在接近室温的条件下可逆地储有大量氢。预计这种储氢机制将适用于多种纳米材料，尤其是具有大量亚纳米孔和可化学修饰内表面的纳米材料。

文献链接：“Hydrogen storage in incompletely etched multilayer Ti₂CT_xat room temperature”(DOI: 10.1038/s41467-020-19078-0)

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