ACS Nano｜原位生成Cu/Nb催化界面，提升MgH₂中低温储氢反应动力学

镁基储氢材料以其高理论储氢容量、丰富的资源、低廉的成本和良好的可逆性，在固态储氢体系中占据着重要地位。然而，Mg-H键的稳定性、吸脱氢动力学的缓慢以及较高的有效脱氢温度，仍然是限制其在工程应用中发展的主要障碍。针对这些挑战，重庆大学潘复生和胡佳的研究团队在ACS Nano上发表了他们的研究成果，他们提出了使用CuNb2O6这种双金属氧化物作为催化前驱体，利用其在反应过程中的原位相变和界面重构，共同增强MgH2在中低温条件下的吸脱氢性能。

这项研究的核心并非简单地添加一种催化剂，而是借助铜（Cu）和铌（Nb）在镁/氢化镁（Mg/MgH2）反应体系中的不同功能：铜在吸脱氢过程中能转变为镁-铜金属间化合物，参与镁/氢化镁的界面反应；铌则能形成多种价态的氧化铌、氧化铌以及金属铌等活性成分，加速界面的电子传递和氢的迁移。铜和铌共同构成的催化界面，为减少反应能量障碍、加速氢气激活以及增强催化循环稳定性提供了必要的结构支持。

通过催化剂前体向活性界面的转变

CuNb2O6催化剂通过溶胶-凝胶工艺制备而成，并通过XRD、SEM/TEM、EDS和HRTEM等技术手段对其晶体结构、颗粒形状和元素分布进行了详细的表征。在实验中，将不同比例的CuNb2O6与MgH2混合进行球磨处理，形成了MgH2-xCuNbO复合体系。经过筛选，发现含有3wt% CuNb2O6的复合样品在储氢性能和催化活性上达到了较好的均衡，因此后续的动力学、热力学和机理研究均以MgH2-3CuNbO作为主要研究对象。

在MgH2的改良研究中，确定催化剂的添加量需平衡两个关键要素：首先，催化剂必须提供充足的活性位点以减少反应的能障；其次，非储氢成分的比例若过高，则会减少整体储氢能力。在这个系统中，3 wt%的添加量被认为是最适宜的，这表明CuNb2O6即使在较小的用量下，也能通过原位生成的活性物质实现有效的催化效果。

图1 展示了CuNb2O6催化剂制备的详细步骤。

在较低温度下，吸脱氢反应的动力学性能得到明显提升。

MgH2-3CuNbO在中等温度脱氢和较低温度吸氢方面均显示了突出的性能。在脱氢阶段，这种复合物能在300℃的温度下于2.5分钟内释放大约5.8重量百分比的氢气；在250℃下经过6分钟可以释放5.53重量百分比的氢气；即使温度进一步降至225℃，20分钟内仍能释放4.65重量百分比的氢气。在吸氢阶段，该系统能在150℃的温度下仅1分钟内吸收5.5重量百分比的氢气，在100℃下10分钟内吸收4.28重量百分比的氢气；在50℃的条件下，也能完成约2重量百分比的氢气吸收。

动力学分析深入展示了催化效应的内在机制。采用Jones-Sharp方法分析，发现MgH2-3CuNbO脱氢行为与Avrami-Erofe’ev模型相吻合，这表明反应速度主要由Mg/MgH2相变过程中的成核和生长阶段所决定。通过JMAK模型结合Arrhenius方程得出的脱氢表观活化能为50.95 kJ/mol，相较于机械球磨MgH2的151.57 kJ/mol有显著降低，这一结果说明CuNb2O6衍生的催化界面有效减少了MgH2脱氢反应的动力学障碍。

图2展示了MgH2-3CuNbO在不同温度条件下的脱氢与吸氢行为曲线。

实验对比进一步证实，CuNb2O6的效果不是CuO和Nb2O5简单相加的结果。在250摄氏度的脱氢环境下，MgH2-3CuNbO能在最初的5分钟内释放出5.32重量百分比的氢气，相比之下，MgH2-3CuO、MgH2-3Nb2O5和MgH2-3(CuO+Nb2O5)仅能释放0.17、0.71和0.53重量百分比的氢气。在100摄氏度的吸氢测试中，MgH2-3CuNbO同样在5分钟内吸收了3.95重量百分比的氢气，这一数值高于其他对比样品。这些数据表明，铜和铌在同一个化合物前驱体中形成的协同重构效应，为氢气的吸附和释放提供了更加有效的催化作用。

图3展示了MgH2-3CuNbO与其他对照体系在吸脱氢性能上的比较，以及在300℃条件下的循环稳定性曲线。

铜和铌界面共同作用增强氢气活性

结构分析揭示，CuNb2O6在反应过程中实现了原位转变。XRD数据证实，在脱氢后，体系中检测到了Mg2Cu相，而在吸氢后则观察到了MgCu2相。XPS分析显示，Nb元素从初始的高氧化态转变为NbO2、NbO以及金属Nb等不同氧化态的活性形态。通过TEM/HRTEM和EDS的检测，确认了Cu、Nb、O等元素在反应结束后依然保持了良好的分散性，这为持续的吸脱氢循环提供了稳定的界面活性位点。

根据表征结果，我们对MgH2/CuNb2O6体系的催化作用机制进行了分析：经过球磨处理，CuNb2O6均匀分布在MgH2颗粒的表面；在脱氢反应中，Cu与Mg相互作用形成Mg2Cu，而相邻的Nb则转变为多价态的活性Nb相；在随后的吸氢过程中，Mg2Cu进一步转化为MgCu2，Nb的多价态继续推动电子和氢气的转移。Mg-Cu相与基于Nb的活性相之间形成的界面区域，降低了H2吸附、活化以及Mg/MgH2相变的能量门槛。

图4 展示了MgH2-3CuNbO材料在经历球磨、脱氢以及再吸氢阶段时微观结构的变化过程。

这项研究方法在MgH2催化系统中具有典型意义：催化材料不仅要在初始的球磨过程中均匀分布，而且要在吸脱氢的循环过程中维持持久的界面活性。CuNb2O6的功能体现在其“预制体-现场重建-活性界面"的连贯变化中，促进催化相在Mg/MgH2相界面区域的形成和参与反应，避免了仅仅作为独立的非活性颗粒存在。

在实验设计方面，这项研究首先通过筛选不同量的CuNb2O6来确定较优的复合比例，然后利用等温吸脱氢曲线、PCT平台压力、动力学模型拟合以及多轮循环测试来构建性能评估框架。接着，通过增加样品中CuNb2O6的含量来增强催化相的表征信号，并利用XRD、XPS和HRTEM技术来揭示反应过程中Mg-Cu相和Nb的多价态物种的变化路径，从而避免了仅根据性能曲线来推测催化机制的做法。

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近期支持的成就清单

1. Solvent influence on partial ionicity improves the mechanical nanosizing impact of magnesium-based hydrogen storage materials. Nature Communications (2026)

2.常温下的Alane脱氢反应促进了光催化供氢系统在可见光驱动下的应用。《先进科学》杂志（2025年）

3.两阶段热处理优化Mg-N-Y合金氢存储性能的研究。《稀土金属》杂志，2026年。

4. 一项创新的碳诱导孔隙形成机制，增强了镁氢化物的循环稳定性。《镁合金杂志》（2025年）

5. 研究了钇元素对Ti-Zr-Mn-Cr-Fe合金氢储存性能的影响。《合金与化合物杂志》（2026年）

6. 研究了镍掺杂对球磨钕镁合金储氢动力学和热力学特性的影响。《合金与化合物杂志》（2025年）

7. 显著的吸/放氢动力学和循环稳定性的Mg-CeAl3@CeH2纳米复合材料。《合金与化合物》杂志（2025年）

8. 掺杂引起的氢化反应抗力增强和SmCo5永磁体结构稳定性提升：一项理论与实验相结合的研究。《合金与化合物杂志》（2026年）

9. Overcoming kinetic and thermodynamic limitations: The combined catalytic effect of CeO2-Ni-rGO boosts the hydrogen storage capabilities of MgH2. Journal of Alloys and Compounds (2026)

10. 探究Mg-Al体系中结构与相变对降低氢气脱附温度的影响。《氢能》杂志，2025年。

11. 可解释的机器学习模型预测Ti-Zr-Mn-Cr-V高熵合金储氢能力：受价电子平均数影响。《储能杂志》（2026年）

12.采用双重策略优化非激活态Mg8Ni-TiO2/MnO2复合材料的储氢性能。《能源化学期刊》（2025年）

13. 微观尺度上硫腐蚀产物自燃现象的影响：以中孔为主导的氧气吸附与活化机制。《燃料》杂志，2026年。

14. 孔隙结构的调整与微尺度流体反应在二氧化碳和烟气强化煤层气回收中的研究。《燃料》杂志（2026年）

15. 实验与理论研究钛修饰六方氮化硼的氢气储存性能。《应用表面科学》（2026年）

16. 铜基甲醇蒸汽重整催化剂，由增强热传导的石墨烯氧化物+UiO-66复合金属有机框架材料支撑，用于长期稳定的氢气生产。《国际氢能杂志》（2025年）

参考来源：

Fu H.; Long S.; Hu J.; Li J.; Xue H.; Chen Y.; Pan F. Development of Cu/Nb Catalytic Interfaces through In-Situ Synthesis for the Improvement of MgH2 Hydrogen Storage. ACS Nano 2026, 20, 3904-3916.

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近期助力成果目录

1.Solvent-mediated partial ionicity enhances mechanical nanosizing effect of Mg-based hydrogen storage alloys. Nature Communications (2026)

2.Room-Temperature Alane Dehydrogenation for Visible-Light-Driven Photocatalytic Hydrogen Supply System. Advanced Science (2025)

3.Dual‐Stage Heat Treatment for Enhanced Hydrogen Storage Properties of Mg-N-Y Alloys. Rare Metals (2026)

4.A novel carbon-induced-porosity mechanism for improved cycling stability of magnesium hydride. Journal of Magnesium and Alloys (2025)

5.Impacts of Y addition on the hydrogen storage performance of Ti-Zr-Mn-Cr-Fe alloys. Journal of Alloys and Compounds (2026)

6.Effect of Ni doping on hydrogen storage kinetics and thermodynamic properties of ball-milled Nd-Mg alloy. Journal of Alloys and Compounds (2025)

7.Superior de/hydriding kinetics and cycling stability of Mg-CeAl3@CeH2 nanocomposites. Journal of Alloys and Compounds (2025)

8.Doping-induced enhanced hydrogenation resistance and structural stability in SmCo5 permanent magnets: A combined theoretical and experimental study. Journal of Alloys and Compounds (2026)

9.Breaking kinetic and thermodynamic barriers: CeO2-Ni-rGO synergistic catalysis for comprehensively enhanced hydrogen storage performance of MgH2. Journal of Alloys and Compounds (2026)

10.Structural and Phase Evolution in the Mg-Al System Leading to Lower Hydrogen Desorption Temperature. Hydrogen (2025)

11.Interpretable machine learning framework for hydrogen storage capacity prediction in Ti-Zr-Mn-Cr-V high-entropy alloys: Influenced by valence electron average. Journal of Energy Storage (2026)

12.Dual-strategy regulation for enhancing hydrogen storage performance of non-activated Mg8Ni-TiO2/MnO2 composites. Journal of Energy Chemistry (2025)

13.Nanoscale effect of spontaneous combustion of sulfur corrosion products: Oxygen adsorption and activation mechanism dominated by mesopores. Fuel (2026)

14.Pore structure reconfiguration and microscale fluid response in bituminous coal under CO2 and flue gas-enhanced coalbed methane recovery. Fuel (2026)

15.Experimental and theoretical investigation on hydrogen storage performance of titanium decorated hexagonal boron nitride. Applied Surface Science (2026)

16.Cu-based methanol steam reforming catalyst supported by heat conduction enhanced GO+UiO-66 composite MOF material for long-term stable hydrogen production. International Journal of Hydrogen Energy (2025)

文献信息：

Fu H.; Long S.; Hu J.; Li J.; Xue H.; Chen Y.; Pan F. In Situ Generated Cu/Nb Catalytic Interfaces for Enhancing MgH2 Hydrogen Storage. ACS Nano 2026, 20, 3904-3916.