《Nature Nanotechnology》硼纳米簇实现室温再氢化，推动 LiBH₄迈向高容量可逆储氢

氢能的广泛应用面临的关键挑战在于储运技术的安全性、效率和成本。在众多金属硼氢化物中，LiBH4以其18.5 wt.%的氢含量和121 kg H2/m³的体积密度，成为备受瞩目的高效固态氢储存材料。但是，LiBH4脱氢反应后产生的B和LiH对氢气的反应性非常低，导致硼氢化物的循环再生需要依赖于高温和高压等严苛环境，极大限制了其在可逆储氢领域的应用。

面对这一挑战，由浙江大学和复旦大学等机构组成的研究团队在《自然纳米技术》上发表了他们的研究成果。他们着眼于硼纳米簇的表面活性位点，阐明了氢气（H2）需要先分解成氢原子，并在低配位硼位点形成硼-氢（B-H）键的重要过程。基于这一发现，研究者们构建了一个复合体系，该体系由大约10纳米的LiBH4纳米颗粒和大约3纳米的镍催化簇组成，这一体系使得脱氢后的产物硼和氢化锂（B/LiH）能在30°C和100 bar的氢气压力下重新氢化，为低温下硼基储氢材料的可逆再生开辟了新途径。

LiBH4面临的挑战并非储氢能力，而是其再生成过程。

LiBH4在储氢能力上具有显著优势，然而其应用的瓶颈并非在于初次释放氢气，而是在于释放氢气后，B/LiH难以再次与氢气反应生成LiBH4。通常情况下，LiBH4需要在超过400℃的高温条件下才能释放氢气，而将LiH和B重新转化为LiBH4则需要更为苛刻的条件，如600°C和350 bar的氢气压力。这项研究的关键性进展在于阐明了B难以与氢气反应的原因，以及如何促进B-H键的重新形成。

● 研究结果发现，H2分子不容易直接与B团簇发生有效反应；形成B-H键的必要条件是H2首先分解为单个H原子。

● B团簇表面低配位的Bspike原子是氢原子吸附和B-H键形成的关键活性区域。

● 随着B团簇体积的减小，Bspike原子所占的比例相应增加；将B团簇细化至纳米级别，对于增强B/LiH体系的再氢化活性至关重要。

图1. 理论计算展示了硼团簇中B尖峰活性位点以及尺寸对氢化活性的影响。

从30°C开始的氢化过程实现了高容量循环。

基于上述理解，研究者构建了nano-LiBH4@30Ni层级纳米结构：大约10纳米的LiBH4基础颗粒被大约3纳米的Ni催化团簇所覆盖，并进一步组合成100-150纳米的次级球形颗粒。在脱氢反应后，该体系形成了5-10纳米尺寸的紧密接触的B/LiH/Ni纳米结构，这为后续的低温再氢化过程提供了必要的空间条件。

一、低温氢吸收：在30°C条件下促进B/LiH向LiBH4的转化

在100 bar氢气压力下，镍修饰的B/LiH纳米复合材料的氢化起始温度降至30°C；与未添加镍的纳米级B/LiH和块状B/LiH相比，温度分别下降了约170°C和295°C。

在30°C和100 bar的氢压条件下，该材料能够吸收大约1.7 wt.%的氢气；而在50°C和120 bar的氢压条件下，氢气吸收量增加到大约3.3 wt.%。

● 随着温度升高至200°C和250°C，在100 bar氢压下，材料的吸氢量分别增至约7.9 wt.%和9.0 wt.% H2，表明其具有较大的可逆储氢能力。

图4. 在不同温度和氢压条件下，脱氢后的纳米LiBH4@30Ni的氢化反应。

二、在较低温度下脱氢与循环：脱氢速度和可逆容量得到同步提升。

● nano-LiBH4@30Ni的初始脱氢温度大约为120°C，而脱氢峰值温度约为286°C，相较于原始LiBH4及不含Ni的nano-LiBH4，这些温度显著降低。

在300°C恒温脱氢环境下，新材料在60分钟内能够释放大约9%的氢气重量；而未经改性的LiBH4在同样的条件下，氢气释放量不到0.4%。

● 脱氢速度相较于标准LiBH4提高了43.5倍；经过20次重复使用后，其可逆储氢容量仍维持在大约8.2 wt.%。

图6：纳米LiBH4@30Ni复合材料的脱氢性能与循环稳定性

机制：B尖峰活性位点协同Ni团簇促进H2分解以及氢气溢出过程。

本研究的机理可以简洁地描述为：硼（B）自身不易直接与氢气（H2）结合；镍（Ni）纳米团簇的作用是将氢气分解成活性氢原子；而精细的硼/锂氢化物（B/LiH）纳米结构则提供了众多低配位硼尖峰位点，这些位点使得活性氢原子能够逐渐与硼形成硼氢键，并最终促使锂氢化物（LiBH4）的再生。

三、Ni纳米粒子调整B/LiH氢化物反应途径

● 密度泛函理论（DFT）的计算结果表明，在3纳米尺寸的镍（Ni）团簇中，镍的t2g轨道能够与氢气（H2）的反键σ*轨道实现有效的杂化作用，这一过程有助于电子从镍转移到氢气，进而降低氢分子间H-H键的强度。

● 镍团簇能与硼团簇构成镍-硼异质结构，该结构中的电荷重新分布和轨道相互作用有助于降低硼-硼键的强度，进而促进硼的氢化反应。

核磁共振检测发现，在氢化反应中，Li2B5H5、Li2B7H7、LiBH4等中间产物依次形成，最终转化为LiBH4；这表明氢化是一个由外向内逐步进行的复杂过程。

图5展示了纳米LiBH4@30Ni的氢化机理：镍催化的氢气分解、表面氢化以及氢的扩散过程。

国仪量子公司推出的H-Sorb 4600PCT Pro型高压储氢吸附分析设备

高压储氢吸附仪能够对材料在多样的温度和高压条件下进行氢气吸附与释放行为的测试，准确测定材料的吸放氢温度和压力、吸放氢容量、吸放氢速度等关键储氢性能参数，涉及储氢材料的热力学和动力学特性。

产品特性：

● 检测结果具有高度一致性，LaNi5材料的吸附精度控制在±1%范围内。

● 钴合金高压气动阀门能够承受超过50000次的长期吸脱附循环测试。

● 各类项目（PCT、动力学、循环、TPA/TPD）实现全自动化的连续性测试组合。

● 快速的温度和压力调节，配合连续操作模式，显著提高了测试效率，达到了40%的提升。

● 提供20g至1000g范围的定制化宏量测试解决方案，包括原位XRD和质谱联用技术。

● 提供定制化70MPa至100MPa的超高压力测试系统解决方案

● 智能科研助手，提供数据问题解答和测试性能分析支持

● 自动化吸脱附温度变化测试（PCT、Kinetics、Cycle）

● 智能化连续多温测试系统（PCT、动力学分析）

近期支持的科研成果列表

1. 溶剂介导的部分离子性增强了基于镁的储氢合金的机械纳米化效应。《自然通讯》（2026年）

2.室温下的Alane脱氢反应，为光催化供氢系统提供可见光驱动力。《先进科学》杂志（2025年）

3. 两阶段热处理技术提升Mg-N-Y合金的氢储存性能。稀有金属（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. 研究了钇元素添加对Ti-Zr-Mn-Cr-Fe合金储氢性能的影响。《合金与化合物杂志》(2026)

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/放氢动力学性能和循环稳定性在Mg-CeAl3@CeH2纳米复合材料中得到展现。《合金与化合物杂志》（2025年）

8. 掺杂效应对SmCo5永磁体的抗氢化能力和结构稳定性的增强作用：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 effect of CeO2-Ni-rGO catalysts significantly boosts the hydrogen storage capabilities of MgH2. Journal of Alloys and Compounds (2026)

10. 探究镁铝体系中结构与相变对降低氢脱附温度的影响。《氢能》杂志，2025年。

11. 机器学习模型助力预测Ti-Zr-Mn-Cr-V高熵合金的储氢容量：价电子平均数的影响。《能源储存杂志》（2026年）

12. 采用双重策略优化未激活的Mg8Ni-TiO2/MnO2复合材料的氢储存性能。《能源化学杂志》（2025年）

13. 在纳米尺度上，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。Fuel (2026)

14. 孔隙结构重组与微尺度流体响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. 氢气储存性能的研究：六方氮化硼表面钛修饰的实验与理论分析。《应用表面科学》（2026年）

16. 铜基甲醇蒸汽重整催化剂，以导热性能提升的石墨烯氧化物与UiO-66复合金属有机框架材料为载体，实现长期稳定的氢气生产。《国际氢能杂志》（2025年）

● 极速温压控制，结合自动连用功能综合测试效率提升40%

● 可定制20g-1000g级宏量测试系统、原位XRD及质谱联用系统

● 可定制70MPa或100MPa超高压测试系统

● AI科研助手，数据问题智能解答、测试性能辅助分析

● 全自动吸脱附变温测试（PCT、Kinetics、Cycle）

● 全自动连续多温度测试（PCT、Kinetics）

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)