人們很容易對氫這種理想燃料持樂觀態度。但要解決一個絕對基本的問題卻困難得多：如何有效地儲存這種燃料？瑞士和波蘭的實驗及理論物理學家合作發現了過去利用氫化鎂儲氫的努力未能達到預期的原因，以及未來的嘗試可能成功的原因。

研究人員發現了氫化鎂作為儲氫解決方案失敗的原因，並確定了前進的道路，有可能徹底改變氫在能源應用中的使用。在杜本多夫（Dübendorf）的超高真空室中利用電子能譜對純鎂層中氫的遷移進行了研究。圖片來源：Empa / AB / IFJ PAN

長期以來，氫一直被視為未來的能源載體。然而，在氫成為能源領域的現實之前，必須開發出高效的氫儲存方法。如果選擇的材料能夠以較低的能源成本首先將氫注入其中，然後根據需要進行回收，最好是在與我們日常生活環境相似的條件下進行回收，那麼這種材料似乎就是最佳的解決方案。鎂似乎是一種很有希望的儲氫材料。

然而，將其轉化為氫化鎂需要一種適當高效的催化劑，而這種催化劑尚未找到。

由位於杜本多夫的瑞士聯邦材料科學與技術實驗室（Empa）、蘇黎世大學化學系和克拉科夫波蘭科學院核物理研究所（IFJ PAN）的科學家組成的研究小組的工作表明，迄今為止多年失敗的原因在於對氫氣注入過程中鎂發生的現象了解不全面。

理論與實驗啟示

將氫氣作為一種能源加以利用的主要障礙是儲存氫氣的困難。在目前仍然罕見的氫動力汽車中，氫氣是在大約700 大氣壓的壓力下壓縮儲存的。這既不是最便宜的方法，也不是最安全的方法，而且與效率關係不大：一立方米中只有45 公斤氫。

如果事先對氫氣進行冷凝，同樣的體積可以儲存70 公斤氫氣。遺憾的是，液化過程需要大量能源，而且在整個儲存過程中必須保持約20 開爾文的極低溫度。一種替代方法是使用合適的材料，例如氫化鎂，它可以在一立方公尺中儲存106 公斤氫。

鎂晶格中氫（藍色）分佈的可視化：鎂和鎂氫化物區域明顯分開。電離後的鎂原子以米色標示。資料來源：IFJ PAN / ZŁ

氫化鎂是測試儲氫能力的材料中最簡單的一種。其含量可達7.6%（以重量計）。因此，氫化鎂裝置相當重，主要適用於固定應用。不過，值得注意的是，氫化鎂是一種非常安全的物質，可以毫無風險地儲存在地下室等地方，而且鎂本身也是一種容易取得的廉價金屬。

深入了解氫化鎂的局限性

理論物理學家Zbigniew Lodziana 教授（IFJ PAN）說：「將氫融入鎂中的研究已經進行了幾十年，但還沒有找到可以廣泛應用的解決方案。問題的根源之一是氫元素本身。這種元素可以有效地穿透鎂的晶體結構，但只能以單一原子的形式存在。要想從典型的分子氫中獲得氫，就需要一種催化劑，其效率足以使氫在材料中的遷移過程快速且能量可行。因此，每個人都在尋找一種符合上述條件的催化劑，但遺憾的是，沒有取得多少成功。今天，我們終於知道為什麼這些嘗試注定要失敗了。”

Lodziana 教授為鎂與氫原子接觸時發生的熱力學和電子過程建立了一個新模型。模型預測，在氫原子遷移過程中，材料中會形成局部熱力學穩定的氫化鎂簇。在金屬鎂及其氫化物的邊界，材料的電子結構會發生變化，而正是這些變化在降低氫離子的遷移率方面發揮了重要作用。換句話說，鎂氫化物形成的動力學主要是由其與鎂的界面現象所決定的。迄今為止，在尋找高效催化劑的過程中還沒有考慮到這種影響。

Lodziana 教授的理論研究是瑞士杜本多夫實驗室所做實驗的補充。在這裡，我們在超高真空室中研究了濺鍍到鈀上的純鎂層中原子氫的遷移。測量儀器能夠記錄所研究樣品的幾個外原子層的狀態變化，這些變化是由新化合物的形成和材料電子結構的相關轉變引起的。 IFJ PAN 研究人員提出的模型使我們能夠充分理解實驗結果。

瑞士-波蘭物理學家團隊的研究成果不僅為尋找氫化鎂的最佳催化劑鋪平了道路，還解釋了為什麼以前發現的一些催化劑比預期的效率更高。

“有許多證據表明，鎂及其化合物的儲氫技術之所以沒有取得重大進展，僅僅是因為我們對這些材料中的氫傳輸過程了解不全面。幾十年來，我們一直在尋找更好的催化劑，但卻沒有找到我們應該尋找的催化劑。現在，新的理論和實驗結果讓我們有可能再次樂觀地思考如何進一步改進將氫引入鎂中的方法，」Lodziana 教授總結道。

編譯來源：ScitechDaily