氢化镁因其丰富的储量、无毒性、良好的振动吸收性能、可逆性、高热力学稳定性以及成本效益而被视为最具潜力的氢储存材料之一，这使其在可持续能源应用中具有很高的吸引力[1],[2],[3],[4],[5],[6]。这些特性使其在氢储存、燃料电池技术以及安全性和环境可持续性要求极高的移动能源系统中尤为重要[7],[8],[9]。然而，其缓慢的氢解吸动力学仍然是主要挑战。目前，许多研究人员正采用实验和原子级模拟技术来研究氧化镁和氢化镁的性质。实验方法被用于在不同环境条件下研究氢化物的合成、结构相及反应动力学[10],[11],[12],[13],[14],[15]。此外，密度泛函理论和反应分子动力学等原子级模拟方法也被广泛用于探究各种金属氧化物和氢化物形成的原子级机制和能量学[16],[17],[18],[19],[20],[21],[22],[23],[24]。这些综合方法加深了人们对金属氢化物及其氢生成应用的理解。在本研究中，我们探讨了镁纳米颗粒的水解过程以及由此形成的氢化镁和氧化镁核壳结构。通过反应分子动力学模拟，我们观察到壳层在氢释放时发生破裂，并发现破裂发生时核心内的氢与镁的比例有所增加，表明其具有更强的氢吸附能力。
近年来，通过镁金属的水解制备氢化镁受到了关注[25],[26],[27]。镁金属与水反应性强，能够以氢化镁的形式储存氢。在镁纳米颗粒的水解过程中，外层会形成氧化镁层，该层会阻碍镁粉在室温下的进一步反应。镁水解反应的效率受多种因素影响，如温度升高、反应介质的不同以及催化剂的类型等[28],[29]。因此，全面理解镁水解反应过程对于氢化物的形成及随后的氢生成至关重要。Paul等人通过原位机械化学氢化方法制备了纯度高达96%的MgH?，并研究了V?O?作为催化剂在降低MgH?脱氢温度方面的效果[30]。Shuai等人使用中熵合金（CrCoNi）纳米片通过湿化学球磨法提高了MgH?的脱氢和再氢化效率：添加9%的CrCoNi可降低脱氢温度[31]。CrCoNi纳米片与Mg/MgH?反应，提供了丰富的活性位点和低势垒扩散通道，促进了Mg/MgH?界面的氢解离/结合[32]。还有一些研究通过协调原子级反应并在循环过程中保持结构完整性来增强氢的传输和储存能力[33],[34],[35],[36],[62],[63],[64],[65]。纳米结构化和催化改性也被证明可以降低MgH?的有效反应温度，加快反应动力学。尽管有大量实验研究，但镁纳米颗粒水解过程中氢化镁和氧化镁形成的详细原子级机制和形态仍不清楚。
研究人员还利用密度泛函理论和反应分子动力学模拟等技术研究镁的氧化过程。密度泛函理论计算揭示了热力学稳定性、氢结合能、扩散障碍以及掺杂剂对Mg-H键稳定性的影响，同时探讨了合金元素的选择对改善反应动力学和降低操作温度的作用[33],[34],[35],[36],[62],[63],[64],[65]。Rekhis等人利用密度泛函理论计算研究了MgH?的原子级性质，并将其与氢储存性能联系起来，提出了提高储存能力和循环效率的实际方法[37]。Zhang等人通过反应分子动力学模拟研究了镁氢化物的原子级反应机制[38]。他们模拟了镁纳米颗粒与水的相互作用，捕捉了成核、生长和分解过程。这些模拟能够追踪不同温度下的键形成/断裂以及中间物种的形成。Cheung等人开发了一种适用于镁-氢-氧体系的反应力场（ReaxFF）势能模型[39]。通过密度泛函理论计算，该模型能够再现键解离能、反应路径及相关镁、氢和氧化合物的结构特性。在我们之前的工作中[40],[41],[42]，我们也利用反应分子动力学模拟研究了铝、镁和铁纳米结构的水解过程。模拟结果显示，水分子在反应中分解为氢和羟基物种，形成了金属氢化物、金属氧化物和其他复杂化合物。尽管有大量实验和模拟研究关注镁与水的反应，但镁纳米颗粒在这些相形成过程中的实际形态尚未明确。
尽管许多实验和原子级模拟研究了镁的水解过程，但包含氢化镁和氧化镁的核壳结构及其演变和后续溶解过程尚未得到系统研究。在本研究中，我们采用温度加速的反应分子动力学模拟分步研究了镁纳米颗粒的水解过程。首先研究了镁纳米颗粒的水解及核壳结构的形成；其次在高温下模拟了核壳结构的溶解过程。氢的产率最高可达约97%。第三步研究了氧化镁的热稳定性及氢分子的形成。纳米颗粒的大小和反应温度均会影响核壳结构的稳定性和演变。这种逐步研究使我们能够追踪镁纳米颗粒水解过程中的原子级反应路径和核壳结构的形成。
