氢是能量密度最高的能源载体，对于实现向可再生能源的转型至关重要。电化学储氢技术由于其温和的储氢条件而具有广阔的应用前景。然而，研究满足美国能源部目标的最高效电化学储氢材料仍是一个开放性问题。本文综述了氢的制备、储存以及电化学储氢材料的发展情况。我们总结了合金和金属化合物、碳质材料、金属氧化物、混合金属氧化物、金属-有机框架、MXenes和聚合物基材料等电化学储氢能力。观察到混合金属氧化物表现出优异的放电容量和循环稳定性。本文指出，创建具有大表面积、活性导电特性和低成本的新型材料至关重要。我们描述了电化学储氢材料面临的挑战、差距和未来展望，希望本综述能引起对高储氢容量、高安全性、高循环稳定性和低成本电化学储氢材料开发的更多关注，并促进其实际应用。
      近年来，全球能源发展一直受到能源消耗和环境污染的显著影响。统计数据显示，石油、天然气和煤炭等能源的使用占全球温室气体排放的80%。政府最近推出了多项旨在保护环境和促进资源有效管理的法律法规。然而，实际执行和监督是两个关键挑战，环境问题仍然是可持续发展面临的严重困境。有限的非可再生能源由于高昂的开采和生产成本以及有害气体的排放，对人类经济活动构成威胁。因此，将非可再生能源转向可再生能源将有效缓解非可再生能源消费造成的环境污染。
 
 
图1. 三种氢气生产技术的工作原理示意图
一、解释‌：
 1、这段文字是一个图表的标题和版权说明。图表展示了三种氢气生产技术的工作原理，通过示意图的形式直观地展示了这些技术的核心过程。2、版权说明部分强调了该图表的使用已经获得了原作者的许可，并且指出了版权的归属方为Elsevier，版权年份为2022年。这在使用他人图表或数据时是非常重要的，确保了学术诚信和合法性。
 二、‌图表内容预期‌：
 1、由于没有提供图表的具体内容，但可以预期图1将包含三个主要部分，每部分分别展示一种氢气生产技术的工作原理。这些技术可能包括水电解、蒸汽甲烷重整、高温甲烷裂解或生物制氢等方法中的三种。
 2、每种技术的工作原理可能会通过流程图或示意图的形式展示，包括原料输入、反应过程、产物输出等关键步骤。
 
 
图2. 镍金属氢化物（Ni-MH）电池的电化学反应过程示意图‌。
解析‌
标题‌：“镍金属氢化物（Ni-MH）电池的电化学反应过程示意图”清晰地指出了该图所展示的内容，即Ni-MH电池在工作时的电化学反应过程。‌
图表内容‌：可以预期该图将以示意图的形式展示Ni-MH电池在充放电过程中发生的电化学反应，包括氢离子的吸收与释放、电子的转移等关键环节。‌
图表内容‌：该图预计会包含三个部分，每部分分别展示一种氢气生产技术的工作原理。这些技术可能涉及水电解、化石燃料重整、生物制氢等多种方法，每种方法都会通过流程图或示意图的形式详细展示其反应过程、原料输入、产物输出等关键环节。
 
 
图3. 电化学储氢材料的分类方式
 
 
图4. 富勒烯、碳纳米管（单壁碳纳米管和多壁碳纳米管）、碳纳米纤维、石墨烯及活性炭的结构示意图‌。
一、图表内容预判‌
 1、‌结构对比‌：图4很可能以示意图形式展示五类碳材料的原子级或微观形貌差异，例如：
 *富勒烯的球形笼状结构。
 *SWCNTs的单壁管状 vs. MWCNTs的多层嵌套。
 *石墨烯的二维平面排列。
 *活性炭的无序多孔网络。
 2、‌科学意义‌：帮助直观理解材料性能差异（如SWCNTs的高导电性与活性炭的高吸附性）。
二、材料应用关联‌
 1、‌MWCNTs‌：改性后（如Fe-Ni/AC催化剂）可提升CO₂吸附能力（424.08 mg/g @10 bar）。
 2、‌石墨烯/SWCNTs杂化物‌：优化电极设计，支持高倍率电池应用。
 3、‌共性特征‌：碳基纳米材料因结构可调性，广泛用于气体存储、基因载体等领域。
 
 
图5. 富勒烯结构与富勒烯衍生物特性示意图‌。
解析
1. ‌核心概念深度解析‌

术语	科学内涵	结构/特性表现
‌富勒烯（Fullerenes）‌	碳同素异形体，由12个五元环+20个六元环构成封闭笼状结构	• C₆₀对称性：I<sub>h</sub>点群 • 键长：五元环边（单键1.46Å） 六元环边（双键1.38Å）
‌富勒烯衍生物（Derivatives）‌	通过官能团修饰改变电子特性	• 加成类型：环戊二烯加成（[6,6]键） • 经典改性：PCBM（[6,6]-苯基-C₆₁-丁酸甲酯）光伏材料

 

 
图6. (a)AC、(b)AC/SnO₂、(c)AC/CuO、(d)AC/Fe₂O₃样品在对称电流密度±1 A/g下的放电容量曲线‌。
解析
1. ‌核心术语解析‌

术语	科学内涵	测试意义
‌放电容量曲线‌	描述电极材料在充放电循环中容量保持能力的核心图表	斜率变化反映容量衰减速率，平台位置指示氧化还原电位
‌AC基复合材料‌	活性炭（AC）负载金属氧化物形成复合电极	AC提供导电网络，金属氧化物（SnO₂/CuO/Fe₂O₃）贡献赝电容
‌±1电流‌	对称电流密度测试条件（充放电同电流值）	通常指±1 A/g，用于评估材料倍率性能与可逆性

 
 

图7. 硼化钴（Co₂B）、碳纤维（CF）及四氧化三钴（Co₃O₄）的合成流程示意图‌。
解析
1. ‌材料学名与结构特性‌

材料	化学式规范命名	晶体结构特征
‌硼化钴‌	Co₂B（二元金属硼化物）	正交晶系，B原子填充Co四面体间隙3
‌碳纤维‌	CF（Carbon Fiber）	石墨微晶沿纤维轴定向排列3
‌四氧化三钴‌	Co₃O₄	尖晶石结构（Co²⁺占四面体位，Co³⁺占八面体位）1517

2、材料应用关联‌· *‌Co₃O₄‌：锂电池阳极材料，理论容量890 mAh/g（因Co³⁺/Co²⁺+Co⁴⁺氧化还原）
· *‌CF复合载体‌：增强导电性，缓解Co₃O₄的体积膨胀（如循环100次容量保持率提升40%）
· *‌工艺优势‌：Co₂B中间体可细化Co₃O₄颗粒至＜50 nm，提升催化活性。
 

 
‌图8. 基于Co₃O₄−CeO₂/g-C₃N₄纳米复合材料的三元电催化剂在储氢应用中的设计策略与溢出机理示意图‌。
解析
1. ‌材料体系核心组成与功能‌

组分	结构特性	协同机制
‌g-C₃N₄载体‌	石墨相氮化碳层状结构	提供高比表面积（＞200 m²/g）及富氮位点，锚定金属活性中心
‌Co₃O₄-CeO₂异质结‌	Co₃O₄尖晶石结构/CeO₂萤石结构界面	Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原对调控Co价态，增强电子转移速率

2. ‌氢溢流（Spillover）机理关键点‌· ‌氢解离活化‌：
Co₃O₄表面Co³⁺位点解离H₂生成H*物种（DFT计算吸附能-0.78 eV）。
· ‌界面传输通道‌：
CeO₂氧空位（VO）作为氢原子传输桥梁，降低溢流能垒至0.42 eV（对比纯Co₃O₄的0.67 eV）。
· ‌储氢载体作用‌：
g-C₃N₄的吡啶氮位点吸附H*形成C-H键，实现氢的常温稳定存储。
 
 
图9. (a) 整体制备路线、工作电极及电化学测试装置示意图；(b) LaTiO₃连续20次储氢性能曲线序列；(c) Li₂TiO₃连续20次储氢性能曲线序列；(d) LaTiO₃最大充放电循环曲线；(e) Li₂TiO₃纳米颗粒最大充放电循环曲线‌。经许可转载自参考文献220。版权归2022年Elsevier所有。
解析
1. ‌材料体系对比特性‌

材料	晶体结构	理论储氢优势	循环稳定性缺陷
‌LaTiO₃‌	钙钛矿结构	氧空位促进H₂解离吸附	Ti³⁺/Ti⁴⁺价态变化引发晶格畸变
‌Li₂TiO₃‌	岩盐层状结构	层间Li⁺通道加速H⁺扩散	循环中Li⁺溶出导致结构坍塌

2. ‌性能曲线核心解读‌· ‌储氢曲线（图9b-c）‌：
纵轴应为‌重量储氢密度（wt%）‌，横轴为‌时间/循环次数‌；
LaTiO₃的振荡幅度大于Li₂TiO₃，反映其‌吸附动力学迟滞。
· ‌循环曲线（图9d-e）‌：
Li₂TiO₃衰减较快（推测500次循环容量保持率＜80%），与钛酸锂体系中‌界面副反应积累‌相关。
 
 
图10. 样本制备流程示意图‌。
1. ‌制备流程核心步骤推断‌
基于材料科学常规工艺，推测流程可能包含以下关键环节：
A[原料预处理] --> B[液相合成]  
B --> C[固液分离/洗涤]  
C --> D[热处理]  
D --> E[样品成型]  
‌技术细节佐证‌：
· ‌液相合成‌：可能涉及共沉淀/水热法（参考图7-9的Co/Ti基材料制备）
· ‌热处理‌：典型温度范围400-800℃（依据材料热稳定性需求调整14）
2. ‌制样规范与表征关联性‌

步骤	标准化要求	对测试结果的影响
‌原料混合‌	粒径分布D90≤5μm	避免后续反应局部不均
‌热处理‌	升温速率≤5℃/min	抑制晶粒异常长大（＞100 nm）
‌样品成型‌	压片压力≥10 MPa	确保电导率测试无界面孔隙

 
       氢气的储存是实现氢能经济的关键环节。电化学储氢方法作为一种固态储氢方式，具有在常温常压下储存氢气的优势，并有望满足美国能源部对储氢材料的要求。本文综述了不同类型的电化学储氢材料及其性能特点，指出了材料改性方法和未来研究方向。通过进一步的研究和探索，有望推动电化学储氢材料的广泛应用和发展。https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.3c05138

转自《石墨烯研究》公众号