综述：MXene复合材料工程在氢能存储领域的创新：最新进展、挑战及未来前景

《Sustainable Materials and Technologies》：Innovations in MXene composite engineering for hydrogen energy storage: Recent advances, challenges, and future prospects

氢能存储中MXenes复合材料的研究进展与挑战。通过结构设计、表面修饰和复合策略优化，MXenes在提高氢吸附容量、速率和循环稳定性方面展现潜力，但仍面临合成工艺复杂、长期稳定性不足等问题。

　　

M.A. Motalib Hossain | M.A. Hannan | Sieh Kiong Tiong | Pin Jern Ker | M.H. Farid | Gilsoo Jang

马来西亚国民能源大学可持续能源研究所，Kajang 43000

摘要

氢（H₂）储能仍然是基于氢的能源系统发展过程中需要解决的另一个挑战性方面。然而，MXenes复合材料由于其可调节的巨大表面积、导电性、插层能力以及多样的组成成分，在氢储能领域引起了极大的兴趣。通过调节层间距和过渡金属元素，MXenes能够精细调整氢的吸附能量，因此被研究作为氢储能材料。本综述全面探讨了MXenes复合材料在氢储能方面的最新进展，包括材料设计、合成路线和性能优化等方面。已经确定了多种增强氢吸附和解吸动力学的工程技术，如掺杂异原子、与金属氢化物及多孔材料的复合以及表面功能化。此外，还介绍了可用于预测MXenes氢储能行为的计算方法。最后，本文还讨论了长期稳定性、规模化生产和制造方面的挑战，并展望了MXenes基复合材料的未来研究方向。因此，本综述为下一代氢储能技术中MXenes的应用提供了关键见解。

引言

全球人口的快速增长和工业活动的增加导致化石燃料的使用达到极限，从而引发资源短缺和重大环境问题，如二氧化碳排放和气候变化[1]、[2]。由于化石燃料能源带来的问题，寻找可持续且低碳的替代能源变得更为迫切。氢（H₂）因其高能量密度（按重量计算）、使用过程中不产生碳排放以及与可再生能源的兼容性而成为有前景的能源载体[3]、[4]。特别是利用可再生能源电力生产的绿色氢（green H₂），被认为是未来碳中和能源基础设施的主要贡献者，因此在交通、发电和储能系统中的应用日益增多[5]、[6]、[7]。

尽管氢是一种优秀的能源载体，但安全、高效且大容量的氢储存仍然是其广泛应用的主要障碍。氢的低体积密度和易燃性给储存和运输带来了巨大挑战[8]、[9]。在现有的氢储存方法中，固态氢储存（SSHS）因具有高体积密度、更高的安全性以及在相对较低的压力下工作而受到广泛关注[10]。在SSHS中，氢通过物理吸附（涉及弱范德华力）或化学吸附（氢与基材形成强化学键）进行储存。基于物理吸附的材料通常具有快速的动力学和可逆性，但由于吸附焓较低，需要低温条件[11]。基于化学吸附的系统（如金属氢化物）虽然具有更高的储存密度，但动力学较慢且解吸需要高温[12]、[13]、[14]。氢的吸附过程包括五个步骤：i) 氢分子迁移；ii) 物理吸附；iii) 分解为氢原子；iv) 化学吸附；v) 形成氢化物。这些步骤如图1a所示，并用方程式（1）表示： 其中H代表氢（H₂），M代表金属或合金，x代表浓度。ΔHθ表示氢化物形成的焓变。氢与形成氢化物的金属之间的相互作用主要受氢化物形成焓（ΔHθ）及其相关熵变（ΔSθ）的影响。

决定SSHS材料性能的关键热力学和动力学参数包括氢的结合能、工作温度和压力、可逆性以及循环稳定性。美国能源部（DOE）设定了非常雄心勃勃的目标，例如在接近室温条件下达到5.5 wt%的重量容量和40gL^?1的体积容量[12]、[15]。传统的氢化物材料（如MgH₂）具有较高的理论储存容量（约7.6 wt%）；然而，由于Mg与氢之间的强键合以及缓慢的动力学特性，释放氢需要超过300°C的温度[16]、[17]。纳米化、合金化和催化剂掺杂是一些常用的改进方法，其中催化剂辅助工程被认为是最有效的方法之一[14]、[18]、[19]、[20]。

在这方面，MXenes（一类二维（2D）过渡金属碳化物和氮化物）作为一种非常有前景的氢储能平台脱颖而出。MXenes的层状结构、可调的层间距、较大的比表面积、高电导率以及可调节的表面化学性质为工程师提供了多种控制氢吸附和扩散的方法[21]、[22]、[23]、[24]。最重要的是，MXenes与金属氢化物、催化剂和多孔材料具有极佳的兼容性，可以制备出具有更高氢储存容量、更快动力学和更好可逆性的工程化MXenes复合材料[25]、[26]。表面功能化、层间工程、缺陷调控和界面设计已被用于开发出能够在实际应用中实现高效氢储存的MXenes复合材料。

近年来，开发出能够在工程化界面处发挥协同效应的MXenes复合材料已成为材料科学领域的重要里程碑，如图1b所示。报告还展示了2013年至2024年间Scopus数据库中关于MXenes氢储能复合材料的发表趋势（图1b）。另一方面，现有的文献综述通常仅涉及MXenes的合成、一般性质或理论氢吸附机制，而未关注通过工程手段优化储存性能。本综述重点关注MXenes复合材料在氢储存中的应用，探讨了改变材料结构、表面和界面如何影响储存性能（如容量、动力学、工作条件和可逆性）。本文采取了一种以机制为导向、以性能为核心的方法，重点介绍了最新突破、主要障碍以及实现氢储能系统的未来方向。

本文结构如下：第2节讨论了MXenes的结构、性质及其在氢储存中的应用；第3节系统回顾了MXenes复合材料在氢储存领域的进展；第4节分析了MXenes复合材料中的氢储存机制；第5节指出了当前存在的问题和挑战；第6节提出了未来展望和研究方向。本综述为MXenes复合材料在氢储存领域的进一步发展提供了重要见解和方向：

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  对MXenes的结构、化学和物理特性进行了全面分析，以理解其氢吸附-解吸性能。
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  系统总结了优化储存容量和动力学的工程策略，包括掺杂、表面功能化、与氢化物和多孔材料的复合以及多层组装。
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  结合理论和实验方法，通过计算建模预测氢的结合能和反应机制，补充了实验设计。
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  对比了传统（HF刻蚀）和新兴的绿色合成方法（碱性、熔盐和电化学方法）在可扩展性、环境安全性和性能方面的优劣。
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  指出了MXenes复合材料在实际氢储存应用中在稳定性、可逆性和大规模制造方面的关键挑战和研究空白。
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  面向可持续氢能源系统的下一代MXenes基材料的未来展望和设计路线图。

节选内容

MXenes的结构、性质及其在氢储存中的潜力

MXenes因其独特的结构、热稳定性和化学稳定性、优异的导电性以及高的吸附能力而成为科学家们用于多种用途的理想2D材料[27]。由于其表面化学性质，MXenes特别适合氢储能，能够实现氢分子的适当吸附和解吸，这是氢储能过程中的关键步骤。

用于氢储存的MXenes复合材料工程

由于MXenes具有高电导率，学生们可以轻松将其用于2D氢储存，从而使计算机具备导电性。这一计算机技术的进步使其比其他2D金属材料更有效。然而，原始MXenes本身的氢储存性能往往较差，这主要是由于层间堆叠问题、氢分子容易被置换以及缺乏活性吸附位点等原因。

工程化MXenes复合材料中的氢储存机制

在工程化MXenes复合材料中，氢的储存依赖于物理和化学过程的复杂相互作用，这些过程决定了材料的吸附能力、可逆性和动力学。物理过程主要描述了氢分子在实际压力和温度条件下的吸附、解吸和保留现象。

基于MXenes复合材料的氢储存面临的挑战和限制

尽管基于MXenes的复合材料在氢储能领域具有巨大潜力，但要实现其最佳性能仍需解决多个挑战和限制。这些问题涉及合成、稳定性、储存容量等多个方面（图10）。

• 合成与规模化： MXenes的合成过程复杂且成本较高，通常涉及MAX层的选择性刻蚀。

未来机遇与研究方向

基于MXenes复合材料的氢储能是一个快速发展的领域，不断有新的进展和发现。为了充分利用MXenes在氢储能领域的潜力，需要解决某些关键问题并探索未来的研究方向（图11）。

结论

氢气的储存面临重大挑战，因其极低的沸点和高能量密度，需要特殊的储存方法将其保持为气体或液体形式。研究人员研究了固态氢储存（SSHS），该方法利用金属组件和复杂氢化物来提高储存容量，但存在回收效率低的问题。MXenes作为一种新型氢储存材料，因其二维结构而具有独特优势。

CRediT作者贡献声明

M.A. Motalib Hossain：撰写——综述与编辑、初稿撰写、方法论研究、数据分析、概念构建。 M.A. Hannan：撰写——综述与编辑、项目监督、方法论指导、资金筹集、概念构建。 Sieh Kiong Tiong：项目监督、资源调配、项目管理、资金筹集。 Pin Jern Ker：撰写——综述与编辑、软件应用、资源管理、数据收集。 M.H. Farid：撰写——综述与编辑。

利益冲突声明

作者声明，他们所知的任何财务冲突或个人关系均未对本文的研究工作产生任何影响。

致谢

作者感谢马来西亚高等教育部在HICoE项目（项目代码JPT.S(BPKI)2000/016/018/015JId.4 (21)/2022003HICOE）以及UNITEN的可再生能源研究项目（项目编号：201801KETTHA）的支持。同时，作者也感谢Sunway大学通过内部资助项目（项目编号GRTIN-IGS(02)-DEN-01-2023）提供的部分支持。