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Enhanced “Hydrogen Pump” Effect in Improving the Hydrogen Storage Performance of MgH 2 via the Introduction of a Flower-like NiCu Bimetallic MOF

双金属片 材料科学 氢气储存 脱氢 化学工程 氢化镁 催化作用 氢化物 复合数 解吸 金属 吸附低温 纳米技术 比表面积 协同催化 储能 制氢
作者
Wen Li,Jiaxiang Xu,Yaoyu Du,Yana Liu,Yunfeng Zhu,Jiguang Zhang,Rui Shi,Jun Wang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:18 (16): 23251-23264 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acsami.6c02651
摘要

To overcome the hydrogen storage kinetic limitations of magnesium hydride (MgH 2 ), highly effective NiCu bimetallic MOFs with different Ni/Cu ratios were successfully synthesized and introduced into MgH 2 . The Ni 3 Cu 1 MOF, featuring a distinctive flower-like structure assembled from thin nanosheets, demonstrates the most remarkable catalytic activity in enhancing the hydrogen storage properties of MgH 2 . The MgH 2 -8 wt % Ni 3 Cu 1 MOF composite can initiate hydrogen desorption at 198.50 °C and exhibits a significantly reduced dehydrogenation peak temperature of 285.92 °C, in comparison with that of the ball-milled MgH 2 (385.5 °C). This composite can rapidly release 6.18 wt % H 2 at 300 °C and absorb 5.32 wt % H 2 at 150 °C, both within 500 s. The activation energies for dehydrogenation and hydrogenation are reduced to 66.91 and 33.81 kJ/mol H 2, respectively. Furthermore, the MgH 2 -8 wt % Ni 3 Cu 1 MOF presents a capacity retention rate of 93% after 50 cycles, indicating excellent cycle stability. The enhancement in the hydrogen storage performance is mainly attributed to the following two aspects. The distinctive flower-like Ni 3 Cu 1 MOF possesses a relatively large specific surface area, which provides more uniformly dispersed metal active sites and a larger contact area with MgH 2 . Moreover, the Mg 2 Ni(Cu)/Mg 2 Ni(Cu)H 4 phases formed in situ during the initial hydrogen de/absorption cycle act as an enhanced “hydrogen pump” to facilitate the de/hydrogenation process of MgH 2 /Mg. The enhanced effect can be confirmed by theoretical calculations, which reveal a pronounced interfacial electron transfer (0.54 e – ) and a marked elongation of the Mg–H bond (2.85 Å) at the MgH 2 –Mg 2 Ni(Cu) interface compared to that of the MgH 2 –Mg 2 Ni interface. These findings offer a strategy for the design and preparation of bimetallic MOF catalysts to improve the hydrogen storage properties of Mg-based materials.
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