氫能的廣泛應用面臨的關鍵挑戰在于儲運技術的安全性、效率和成本。在眾多金屬硼氫化物中，LiBH4以其18.5 wt.%的氫含量和121 kg H2/m3的體積密度，成為備受矚目的高效固態氫儲存材料。但是，LiBH4脫氫反應后產生的B和LiH對氫氣的反應性非常低，導致硼氫化物的循環再生需要依賴于高溫和高壓等嚴苛環境，極大限制了其在可逆儲氫領域的應用。

面對這一挑戰，由浙江大學和復旦大學等機構組成的研究團隊在《自然納米技術》上發表了他們的研究成果。他們著眼于硼納米簇的表面活性位點，闡明了氫氣（H2）需要先分解成氫原子，并在低配位硼位點形成硼-氫（B-H）鍵的重要過程。基于這一發現，研究者們構建了一個復合體系，該體系由大約10納米的LiBH4納米顆粒和大約3納米的鎳催化簇組成，這一體系使得脫氫后的產物硼和氫化鋰（B/LiH）能在30°C和100 bar的氫氣壓力下重新氫化，為低溫下硼基儲氫材料的可逆再生開辟了新途徑。

LiBH4面臨的挑戰并非儲氫能力，而是其再生成過程。

LiBH4在儲氫能力上具有顯著優勢，然而其應用的瓶頸并非在于初次釋放氫氣，而是在于釋放氫氣后，B/LiH難以再次與氫氣反應生成LiBH4。通常情況下，LiBH4需要在超過400℃的高溫條件下才能釋放氫氣，而將LiH和B重新轉化為LiBH4則需要更為苛刻的條件，如600°C和350 bar的氫氣壓力。這項研究的關鍵性進展在于闡明了B難以與氫氣反應的原因，以及如何促進B-H鍵的重新形成。

● 研究結果發現，H2分子不容易直接與B團簇發生有效反應；形成B-H鍵的必要條件是H2首先分解為單個H原子。

● B團簇表面低配位的Bspike原子是氫原子吸附和B-H鍵形成的關鍵活性區域。

● 隨著B團簇體積的減小，Bspike原子所占的比例相應增加；將B團簇細化至納米級別，對于增強B/LiH體系的再氫化活性至關重要。

圖1. 理論計算展示了硼團簇中B尖峰活性位點以及尺寸對氫化活性的影響。

從30°C開始的氫化過程實現了高容量循環。

基于上述理解，研究者構建了nano-LiBH4@30Ni層級納米結構：大約10納米的LiBH4基礎顆粒被大約3納米的Ni催化團簇所覆蓋，并進一步組合成100-150納米的次級球形顆粒。在脫氫反應后，該體系形成了5-10納米尺寸的緊密接觸的B/LiH/Ni納米結構，這為后續的低溫再氫化過程提供了必要的空間條件。

一、低溫氫吸收：在30°C條件下促進B/LiH向LiBH4的轉化

在100 bar氫氣壓力下，鎳修飾的B/LiH納米復合材料的氫化起始溫度降至30°C；與未添加鎳的納米級B/LiH和塊狀B/LiH相比，溫度分別下降了約170°C和295°C。

在30°C和100 bar的氫壓條件下，該材料能夠吸收大約1.7 wt.%的氫氣；而在50°C和120 bar的氫壓條件下，氫氣吸收量增加到大約3.3 wt.%。

● 隨著溫度升高至200°C和250°C，在100 bar氫壓下，材料的吸氫量分別增至約7.9 wt.%和9.0 wt.% H2，表明其具有較大的可逆儲氫能力。

圖4. 在不同溫度和氫壓條件下，脫氫后的納米LiBH4@30Ni的氫化反應。

二、在較低溫度下脫氫與循環：脫氫速度和可逆容量得到同步提升。

● nano-LiBH4@30Ni的初始脫氫溫度大約為120°C，而脫氫峰值溫度約為286°C，相較于原始LiBH4及不含Ni的nano-LiBH4，這些溫度顯著降低。

在300°C恒溫脫氫環境下，新材料在60分鐘內能夠釋放大約9%的氫氣重量；而未經改性的LiBH4在同樣的條件下，氫氣釋放量不到0.4%。

● 脫氫速度相較于標準LiBH4提高了43.5倍；經過20次重復使用后，其可逆儲氫容量仍維持在大約8.2 wt.%。

圖6：納米LiBH4@30Ni復合材料的脫氫性能與循環穩定性

機制：B尖峰活性位點協同Ni團簇促進H2分解以及氫氣溢出過程。

本研究的機理可以簡潔地描述為：硼（B）自身不易直接與氫氣（H2）結合；鎳（Ni）納米團簇的作用是將氫氣分解成活性氫原子；而精細的硼/鋰氫化物（B/LiH）納米結構則提供了眾多低配位硼尖峰位點，這些位點使得活性氫原子能夠逐漸與硼形成硼氫鍵，并最終促使鋰氫化物（LiBH4）的再生。

三、Ni納米粒子調整B/LiH氫化物反應途徑

● 密度泛函理論（DFT）的計算結果表明，在3納米尺寸的鎳（Ni）團簇中，鎳的t2g軌道能夠與氫氣（H2）的反鍵σ*軌道實現有效的雜化作用，這一過程有助于電子從鎳轉移到氫氣，進而降低氫分子間H-H鍵的強度。

● 鎳團簇能與硼團簇構成鎳-硼異質結構，該結構中的電荷重新分布和軌道相互作用有助于降低硼-硼鍵的強度，進而促進硼的氫化反應。

核磁共振檢測發現，在氫化反應中，Li2B5H5、Li2B7H7、LiBH4等中間產物依次形成，最終轉化為LiBH4；這表明氫化是一個由外向內逐步進行的復雜過程。

圖5展示了納米LiBH4@30Ni的氫化機理：鎳催化的氫氣分解、表面氫化以及氫的擴散過程。

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近期支持的科研成果列表

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6. 研究了鎳摻雜對球磨釹鎂合金儲氫動力學和熱力學特性的影響。《合金與化合物雜志》（2025年）

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