N/S Co-doped Nb2CT MXene as the effective catalyst for improving the hydrogen storage performance of MgH2

脱氢 催化作用 氢气储存 材料科学 兴奋剂 成核 化学工程 复合数 金属 协同催化 复合材料 化学 合金 有机化学 冶金 光电子学 工程类
作者
Heng Lu,Jianbo Li,Xiang Zhang,Yangfan Lu,Chao Yuan,Qian Li,Fusheng Pan
出处
期刊:Journal of Materials Science & Technology [Elsevier]
卷期号:190: 135-144
标识
DOI:10.1016/j.jmst.2023.11.056
摘要

While MgH2 has high hydrogen storage capacity, its high dehydrogenation temperature and sluggish de-/hydrogenation rate have hindered practical application. In the present work, a non-metallic element (N, S) co-doped Nb2CTx MXene catalyst (N/S-Nb2CTx) is employed to improve the hydrogen storage property of MgH2. The dehydrogenation activation energy of MgH2+N/S-Nb2CTx composite is reduced to 70.00 kJ mol–1 H2, which is much lower than that of MgH2+Nb2CTx (99.44 kJ mol–1 H2) and Milled-MgH2 (133.19 kJ mol–1 H2). The composite can release about 4.78 wt.% of H2 within 30 minutes at 225 ℃ and uptake about 4.00 wt.% of H2 within 80 min even at 30 ℃ under 30 bar H2, which is significantly better than most of the reported MgH2+Nb-based-catalyst composites. The mechanism analysis reveals that the stable layered structure of the N/S-Nb2CTx catalyst provides enough nucleation sites for MgH2/Mg, and the in-situ formed substances (Nb, NbO2) play the role of elongating Mg‒H bond. Besides, the N, S co-doped effectively enhances the ability of multivalent Nb elements to promote the electron transfer between Mg2+ and H–, and it promotes the diffusion of hydrogen through weakening the interaction between Nb and H atoms, thus the de-/hydrogenation kinetics and cyclic stability of MgH2 is significantly improved. This work not only proves that Nb2CTx can effectively enhance its catalytic activity by N and S co-doping, but also provides a MXene-based catalyst design concept for highly efficient hydrogen storage catalysts.
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