参与储氢国标制定！国仪量子高压储氢吸附仪应用案例

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动力学曲线测试是评估储氢材料性能的重要手段，它能有效表征储氢材料的储氢与脱氢条件、吸脱附速率以及活化能等关键参数。这些参数对于准确评估材料质量、明确材料改性方向具有重要参考价值。如图3为镁基储氢材料动力学曲线表征案例，通过吸氢和放氢的动力学分析，可得到材料的吸脱氢的速率情况。此外，动力学测试的意义不止于考察储氢与脱氢的条件及速率，它还能深入表征材料储氢与脱氢过程所需的能量。燕山大学沈同德老师课题组合成了掺杂Ni/C纳米催化剂的MgH₂复合材料(MgH₂-Ni/C)，并采用国仪量子高压储氢吸附仪进行了储氢动力学曲线测试^[3]。

如图4所示，在2 MPa的氢气压力下，将两种材料在100℃下的吸氢动力学曲线进行对比，MgH₂-Ni/C在100分钟内吸氢量为4.89 wt.%，而未掺杂的MgH₂吸氢量只有2.05 wt.%（图4a），催化剂的掺入显著加快了MgH₂的吸氢速率；再进一步通过阿伦尼乌斯（Arrhenius）拟合图（图4f）计算得到MgH₂-Ni/C的吸氢活化能为48.9±1.1 kJ mol^-1，显著低于未掺杂的MgH₂的75.6+4.1 kJ mol^-1。可见，Ni/C催化剂的加入显著降低了吸氢反应的能垒，吸氢动力学得到了有效改善。

图3 镁基储氢材料动力学曲线测试

左图：吸氢动力学曲线，右图：脱氢动力学曲线

图4 (a) MgH₂ -Ni /C和MgH₂在100℃时的储氢动力学曲线；(b) MgH₂ -Ni /C和MgH₂ (c)在不同温度下氢气压力为2 MPa时的储氢动力学曲线；(d) MgH₂ -Ni /C和MgH₂ (e)的JMAK图；(f) MgH₂ -Ni /C和MgH₂的阿伦尼乌斯(Arrhenius)图^[3]。

通过程序升温脱附（TPD）及程序升温吸附（TPA）测试，可评价储氢材料在特定条件下的储脱氢行为及储脱氢温度，为储脱氢的机理分析提供实验依据。如图5所示，通过TPD曲线测试（左图），可知此镁基储氢材料在190℃时开始脱氢；通过TPA曲线测试（右图）可知，此合金储氢材料在200℃时，其吸附量会有一个陡然上升阶段，也即在200℃时开始大量吸氢。此外，钟教授团队通过采用国仪量子高压储氢吸附仪的程序升温脱附（TPD）测试功能进一步考察了材料的脱附活化能^[1]。如图6所示，根据TPD数据（图6a和6b），采用Kissinger方程计算了Mg-10wt% CeAl₃@CeH₂和Mg-20wt% CeAl₃@CeH₂的脱氢活化能，分别为115.8和99.1 kJ/mol H₂, 和最近报道的一些镁基储氢材料相比，CeAl₃@CeH₂的掺杂使脱氢活化能均有所降低。

图5 镁基储氢材料TPD曲线测试（左图），合金储氢材料TPA曲线测试（右图），其中蓝色线为浓度曲线，红色线为升温速率曲线。

图6 TPD测试曲线(a)和(b)；基于TPD数据(c)和(d)的Kissinger图；(a)和(c): Mg-10wt% CeAl₃@CeH₂；(b)和(d): Mg-20wt% CeAl₃@CeH₂^[1]。

对于储氢材料而言，稳定性及循环储脱氢性能也是评价材料储氢性能的重要指标，通过循环寿命测试，能清晰地展现出材料在多次储氢、脱氢循环后，其性能的变化趋势，为判断材料能否满足实际应用需求提供了重要依据。如图7所示，分别是不同的镁基储氢材料的循环测试案例，可发现储氢材料经过10圈循环后（左图），其储氢浓度有一个明显的持续下降趋势，而右图储氢材料，经过30圈的循环测试，其储氢浓度基本维持在初始水平，具有优异的循环稳定性能。此外，燕山大学沈同德老师课题组采用我司高压储氢吸附仪的自动循环测试功能来评价材料的寿命情况^[3]。如图8所示，与MgH₂相比，MgH₂-Ni/C具有更优越的循环性能(图8a和8b)，MgH₂-Ni/C和MgH₂的初始吸氢量分别为6.08 wt.%和6.81 wt.%，经过50次循环后，MgH₂-Ni/C保持6.01 wt.%（初始容量的98.8%）的高容量，而MgH₂的容量较低，为5.80 wt.%（初始容量的85.2%）（图8c），MgH₂-Ni/C的吸氢容量在循环过程中保持稳定，而未掺杂的MgH₂的容量在前5次循环中有大幅下降并逐渐递减。

图7 不同镁基储氢材料循环寿命测试曲线 

左图：10圈循环，右图：30圈循环

图8 (a) MgH₂ -Ni /C和MgH₂ (b)在300℃时的循环寿命测试曲线, REH和DEH分别代表加氢和脱氢；(c) MgH₂ -Ni /C和MgH₂的循环容量（吸氢量）比较^[3]。

[1] Zhong, Haichang, et al. "Superior de/hydriding kinetics and cycling stability of Mg-CeAl3@ CeH2 nanocomposites." Journal of Alloys and Compounds 1010 (2025): 177484.

[2] Zhong, H. C., et al. "Microstructure and hydrogen storage properties of Mg–Sn nanocomposite by mechanical milling." Journal of Alloys and Compounds 509.11 (2011): 4268-4272.

[3] Ding S, Qiao Y, Cai X, et al. A novel carbon-induced-porosity mechanism for improved cycling stability of magnesium hydride[J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2024.