2022.9封面文章 | 富氧空位TiO₂纳米片：实现MgH₂快速稳定储放氢的有效载体

Oxygen Vacancy-Rich 2D TiO₂ Nanosheets: A Bridge Toward High Stability and Rapid Hydrogen Storage Kinetics of Nano-Confined MgH₂Li Ren, Wen Zhu, Yinghui Li, Xi Lin, Hao Xu, Fengzhan Sun, Chong Lu, Jianxin Zou*

Nano-Micro Letters (2022)14: 144

https://doi.org/10.1007/s40820-022-00891-9

1. 首次提出利用富氧空位的二氧化钛纳米片来构建MgH₂/TiO₂异质结构，通过纳米限域和原位催化来提升氢化镁材料储氢性能。

MgH₂/TiO₂复合储氢材料的制备包括二维二氧化钛纳米片(TiO₂ NS)的合成、MgBu₂的浸渍以及氢化镁的原位自组装。首先通过表面活性剂自组装的方法合成了类石墨烯结构的二维二氧化钛纳米片，随后将该纳米片分散在环己烷中并滴加丁基镁溶液，通过随后的高温高压溶剂热法合成了MgH₂/TiO₂复合储氢材料。

图1. MgH₂/TiO₂异质结构合成示意图。

SEM和TEM显示所制备的二氧化钛呈现出类石墨烯的二维超薄纳米片结构，其片径为150~200 nm。XRD分析表明TiO₂ NS主要由锐钛矿相组成同时包含少量的金红石相，材料结晶性良好无其他杂相生成。BET分析表明TiO₂ NS具有431.32 m²g⁻¹的高比面积，这有利于为氢化镁提供更多的形核位点。以该TiO₂ NS为框架材料对MgH₂进行纳米限域合成MgH₂/TiO₂复合储氢材料，TEM显示高压溶剂热后TiO₂ NS仍维持二维结构，且MgH₂纳米颗粒均匀弥散的分布在TiO₂ NS表面。

图2. TiO₂ NS及MgH₂/TiO₂的形貌结构表征。

IV MgH₂/TiO₂纳米复合储氢材料的放氢机理

4.1 富氧空位二氧化钛纳米片的形成

光学照片显示MgBu₂处理的TiO₂ NS表现出从蓝色到黑色的颜色变化，表明氧空位的存在，即通过一石二鸟的策略，MgBu₂的加入不仅作为氢化镁形核的前驱体，还可以作为还原剂来制造富含氧空位的蓝色TiO₂ NS。XPS及EPR测试进一步证明了氧空位的形成。丰富的氧空位大大增强了TiO₂ NS的导电性，并为电子和氢的输运提供了额外的通道，使得复合材料吸氢动力学的大大增强。

4.2 富氧空位二氧化钛纳米片的限域及催化机理

XRD表明，第一次放氢后形成了Mg₂TiO₄三元氧化物这一具有催化作用的新物相。¹H NMR测试进一步证明了该新相能够提高氢的运动活性，具有很好的催化作用。原位HRTEM分析表明，在放氢过程中Mg-Ti三元氧化物附近的氢化镁会率先开始放氢，该氧化物一方面作为氢扩散通道极大的改善了氢化镁的放氢动力学，另一方面该氧化物具有优良的韧性有效地缓冲了氢化镁吸放氢过程中的体积膨胀和收缩。此外，具有高比表面积的类石墨烯状二维TiO₂纳米片为MgH₂/Mg提供了更多的成核点，抑制了MgH₂在吸放氢过程中的生长和团聚，保证了良好的循环稳定性。XPS测试表明在吸放氢过程中形成了多价钛，加速了吸放氢过程中的电子转移。

任莉

本文第一作者

上海交通大学 博士研究生

▍主要研究领域

镁基储氢材料的设计，制备及表征。

邹建新

本文通讯作者

上海交通大学 教授

▍主要研究领域

镁基能源材料。

▍主要研究成果

上海交通大学材料科学与工程学院教授，上海交通大学氢科学中心副主任，教育部青年长江学者，国家重点研发计划首席科学家，已在Science，Adv Mater, Energy Stor Mater, ACS Nano, J of Materials Chemistry A, Chemical Engineering J，Acta Mater等国际知名期刊上发表SCI论文150余篇，被他引超过2700次。

▍Email：zoujx@sjtu.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部