Single-Atom Ni Supported on TiO2 for Catalyzing Hydrogen Storage in MgH2

脱氢 化学 催化作用 氢气储存 解吸 动力学 活化能 Atom(片上系统) 化学工程 物理化学 有机化学 吸附 计算机科学 物理 量子力学 工程类 嵌入式系统
作者
Jiyue Zhang,Wenda Wang,Xiaowei Chen,Jinlong Jin,Xiaojun Yan,Jianmei Huang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (15): 10432-10442 被引量:48
标识
DOI:10.1021/jacs.3c13970
摘要

As an efficient and clean energy carrier, hydrogen is expected to play a key role in future energy systems. However, hydrogen-storage technology must be safe with a high hydrogen-storage density, which is difficult to achieve. MgH2 is a promising solid-state hydrogen-storage material owing to its large hydrogen-storage capacity (7.6 wt %) and excellent reversibility, but its large-scale utilization is restricted by slow hydrogen-desorption kinetics. Although catalysts can improve the hydrogen-storage kinetics of MgH2, they reduce the hydrogen-storage capacity. Single-atom catalysts maximize the atom utilization ratio and the number of interfacial sites to boost the catalytic activity, while easy aggregation at high temperatures limits further application. Herein, we designed a single-atom Ni-loaded TiO2 catalyst with superior thermal stability and catalytic activity. The optimized 15wt%-Ni0.034@TiO2 catalyst reduced the onset dehydrogenation temperature of MgH2 to 200 °C. At 300 °C, the H2 released and absorbed 4.6 wt % within 5 min and 6.53 wt % within 10 s, respectively. The apparent activation energies of MgH2 dehydrogenation and hydrogenation were reduced to 64.35 and 35.17 kJ/mol of H2, respectively. Even after 100 cycles of hydrogenation and dehydrogenation, there was still a capacity retention rate of 97.26%. The superior catalytic effect is attributed to the highly synergistic catalytic activity of single-atom Ni, numerous oxygen vacancies, and multivalent Tix+ in the TiO2 support, in which the single-atom Ni plays the dominant role, accelerating electron transfer between Mg2+ and H– and weakening the Mg–H bonds. This work paves the way for superior hydrogen-storage materials for practical unitization and also extends the application of single-atom catalysis in high-temperature solid-state reactions.
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