随着氢能成为未来清洁能源的重要方向，“如何安全高效储存氢气”成了亟待解决的关键难题。在众多储氢材料中，镁基材料因储氢容量高、成本低、资源丰富等优势备受关注，但它也存在氢气吸收/释放温度高、反应速度慢等短板，而被誉为“材料界新星”的石墨烯正成为破解这一难题的“钥匙”。
这种由单层碳原子组成的二维晶体凭借独特的结构和性能让镁基储氢材料的性能实现了质的飞跃。
石墨烯的核心优势在于其极大的比表面积和特殊的纳米结构，它就像一张巨大的“原子级滤网”，表面布满了微小的吸附位点，能让氢气分子更轻松地附着。同时，它又能充当“纳米牢笼”，约束内部的镁基颗粒，让它们形成均匀分散的微小纳米粒子。这种结构不仅增强了镁原子与氢气分子的相互作用，还能显著改善储氢过程中的反应效率，让镁基材料的储氢性能大幅提升。
内蒙古科技大学胡锋教授带领其团队经过一系列研究，充分证明了石墨烯的“升级”效果。团队通过特殊工艺制备不同石墨烯含量的镁-稀土合金材料，结果令人惊喜：添加了一定量石墨烯的复合材料在300℃下就能实现氢气的吸收与释放，也就是“可逆氢化反应”，而不含石墨烯的纯镁-稀土合金在这个温度下完全“无动于衷”。更关键的是，纯镁－稀土合金释放氢气起始温度为300℃以上，加入石墨烯后直接降到接近200℃。这背后的秘密就是石墨烯降低了反应所需的能量门槛，让氢气的“进出”更顺畅。
研究人员发现，给石墨烯“加点料”效果会更好，比如用镍修饰石墨烯后，与氢化镁结合形成的复合材料，在相对温和的温度下100℃左右仅用100秒就能吸收超过6%重量占比的氢气，加热到250℃时1800秒内就能释放出5.73%重量占比的氢气，这个效率远超纯氢化镁材料。另有团队利用石墨烯作为载体，原位合成了微小的氢化镁纳米颗粒，直径仅约3纳米让材料释放氢气起始温度降到255℃，且经过多次吸收－释放循环后储氢能力依然稳定
除了纯石墨烯，它的“近亲”氧化石墨烯及还原氧化石墨烯在储氢领域表现更出色。氧化石墨烯表面带有更多活性官能团和结构缺陷，就像布满“小钩子”的表面，能更牢固地“抓住”纳米颗粒，避免它们聚集。科研人员发现，利用不同缺陷程度的还原氧化石墨烯能精准控制镁纳米晶体的大小和形状，表面的缺陷既能启动镁纳米晶体的形成，又能抑制它们过度生长，从而进一步优化储氢性能。
“石墨烯+金属”的组合更是实现了“1+1>2”的协同效应，团队制备了镍修饰的还原氧化石墨烯复合材料Ni@rGO，并将其与镁基材料结合。测试显示在200℃以下，添加这种复合材料的含稀土镁基材料储氢容量达到5.0%以上；同时，反应所需的能量门槛也大幅降低，从纯镁的163.9 kJ/mol降到了100 kJ/mol以下。另有研究证明，在镁-石墨烯复合材料中加入少量镍，能让氢气释放温度从410℃(683K)降到308℃(581K)，且吸收和释放氢气的速度也显著提升。
科研人员还尝试了更复杂的“组合拳”，将石墨烯与稀土元素结合。稀土元素中的钕(Nd)就是一种优质的“辅助材料”，它能与镁形成特殊的金属间化合物，还能像“氢泵”一样促进氢气的转移，改善反应动力学。最新研究就聚焦于钕镁合金(NdMg12)与石墨烯的复合体系，通过真空感应熔炼和高能球磨等工艺让石墨烯均匀分散在合金中，这种设计能进一步抑制颗粒聚集，创造更多活性位点，有望在储氢容量反应速度和循环稳定性之间找到最佳平衡。
从纯石墨烯到其衍生物再到与金属、稀土元素的协同组合，这些研究不断刷新着镁基储氢材料的性能极限。石墨烯的加入不仅解决了镁基材料“反应难、效率低”的老问题，更为储氢材料的设计提供了新思路。
未来，随着对石墨烯含量、结构修饰等细节的进一步优化，高效、低成本的镁基储氢材料有望大规模应用，为氢能的普及奠定坚实基础。或许不久的将来，我们的新能源汽车、家庭能源存储设备都将受益于这种“原子级魔法材料”。相关研究发表于国际知名SCI收录期刊《Journal of Alloys and Compounds》，该研究获得自治区自然科学基金项目支持。
（来源：自治区科技厅基础研究与科研条件处）
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