“储能与节能材料团队”：《JMST》Mg-Ni-Y储氢合金床层快速高效启动
第一作者：尧兢
通讯作者：吴震、李谦
通讯单位：西安交通大学、重庆大学
论文DOI：10.1016/j.jmst.2025.08.001
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针对镁基储氢材料吸氢过程启动速度慢、能耗高的难题，本文提出了一种反应诱导局部自加热方法，实现了模块化Mg-Ni-Y合金床层快速高效储氢。发展了集成宽温氢化反应动力学的数值模型，明确温度与反应分数之间的正反馈关系是床层启动的驱动力。与常规流体加热相比，局部自加热的合金床层启动时间和启动能耗降低了两个数量级。同时，吸氢反应时间至少减少一半。参数优化表明，通过局部自加热，360 W的微小初始加热功率可在60 s内启动1 kg氢容量的合金床层。该方法削弱了镁基储氢材料床层吸氢过程对大能量供应的依赖，有助于镁基储氢的应用和推广。
背景介绍
镁基储氢材料吸放氢反应需较高的工作温度以克服热力学和动力学能垒，从而达到实际可用的容量和反应速率。然而，由于镁基储氢材料导热系数低，将镁基储氢材料从室温加热至工作温度的启动过程耗时耗能，尤其是在大规模储运场景下。常规流体加热方法通过结构优化强化流体与材料之间的换热，可缩短启动时间，但启动所需能耗并未降低。实际上，镁基储氢材料吸氢为强放热过程，且过高的温度将抑制反应速率。因此，将有害的反应热用于启动过程，既可降低启动所需能耗，又能在一定程度上抑制高温对反应速率的不利影响。然而，镁基储氢材料的启动过程和吸氢反应过程依次进行，启动过程的热需求与吸氢反应过程的反应热在时间上难以匹配，这成为反应热再利用的关键挑战。受中子诱导核链式反应的启发，可利用吸氢反应的空间分布错位实现时间匹配，将反应区的反应热用于未反应区，进而实现整个床层的启动。
本文亮点
Ø 提出反应诱导局部自加热方法实现Mg-Ni-Y合金快速高效氢储存。
Ø 明确温度-反应正反馈为自加热方法的驱动力。
Ø 通过自加热方法实现Mg-Ni-Y合金床层启动时间和能耗降低两个数量级。
Ø 通过自加热方法360 W加热功率可在60 s内启动1 kg氢容量的合金床层。
图文解析
图1为本文提出的反应诱导局部自加热方法与常规流体加热方法的性能比较。从图中可看出，采用自加热方法，Mg-Ni-Y合金床层启动时间和启动能耗降低了两个数量级，实现了床层快速高效启动。同时，由于自加热方法中换热流体可维持在较低温度，合金床层反应90%所需的时间缩短了58.8%，加速了吸氢反应进程。
图1 本文提出的反应诱导局部自加热方法与常规流体加热方法的性能比较：（a）床层温度随时间的变化；（b）床层反应分数随时间的变化；（c）流体加热时从室温到工作温度的温升过程；（d）两种加热方法下启动时间、反应时间和启动能耗的比较。
图2为水平和垂直加热模式下Mg-Ni-Y合金床层温度和反应分数随时间的变化。尽管垂直加热模式下的启动速度比水平加热模式下的慢，但两种加热模式对吸氢反应完成时间的影响可忽略不计。
图2 水平和垂直加热模式下床层温度（a）和反应分数（b）随时间的变化。
图3为水平和垂直加热模式下，所选样本线上Mg-Ni-Y合金床层温度和反应分数随时间的变化。图中展示了采用自加热方法的Mg-Ni-Y合金床层吸氢反应过程。反应开始时（0 s），初始加热提升一小部分床层温度，启动该部分床层吸氢反应并放热。随后，已反应床层的反应热提升未反应床层温度，床层吸氢反应逐步推进，最终在约200 s实现整个床层启动。可知，温度与反应分数之间的正反馈关系是合金床层启动的驱动力。在垂直加热模式下，可以看到从初始加热源到冷却壁面和从冷却壁面到初始加热源的两次反应锋面移动。两次反应锋面移动驱动力并不相同，前者为温度与反应分数之间的正反馈关系，后者为通过冷却壁面的散热。
图3 （a）水平加热模式下Z轴方向上合金床层温度和反应分数的变化;（b）水平加热模式下Mg-Ni-Y合金床层吸氢反应过程示意图;（c）垂直加热模式下R轴方向上合金床层温度和反应分数的变化;（d）垂直加热模式下Mg-Ni-Y合金床层吸氢反应过程示意图。
图4展示了不同初始加热功率下Mg-Ni-Y合金床层的启动和吸氢反应过程。初始加热功率过小（<5 W）难以实现床层启动，初始加热功率较小（如10 W）导致床层启动速度慢，而15 W的初始加热功率能够实现床层快速启动。当通过垂直堆叠模块化设计将合金床层放大至1 kg氢容量时，自加热方法下吸氢反应启动所需的初始加热功率仅为360 W。
图4 初始加热功率为5、10、15、20和25 W时，合金床层温度（a）、反应分数（b）和温度分布（c）随时间的变化。
图5为不同合金床层导热系数下床层的启动和吸氢反应过程。随着导热系数增加，吸氢反应开始前的孕育期延长，导致吸氢反应启动缓慢，这是因为导热系数增加导致局部床层热量难以积聚，温度与反应分数之间的正反馈关系建立缓慢。当导热系数大于1.92 W·m-1·K-1时，床层无法启动。
图5 合金床层导热系数为0.48、0.96、1.44、1.92和2.40 W·m-1·K-1时床层反应分数分布随时间的变化。
总结展望
本文提出了一种反应诱导局部自加热方法用于模块化Mg-Ni-Y合金床层的快速高效氢储存，揭示了温度与反应分数之间的正反馈关系是合金床层启动的驱动力，验证了反应诱导局部自加热的可行性。探究了关键参数（初始加热功率和合金床层导热系数）对合金床层启动和吸氢反应的影响，以阐明参数依赖性并选择适当的参数。研究表明，初始加热功率低可导致合金床层启动缓慢甚至失败。360 W的初始加热功率可在1 kg氢容量的合金床层中快速高效启动吸氢反应。导热系数的增加可能会导致启动失败，而一旦合金床层启动成功，高导热系数有助于吸氢反应过程快速完成。与常规流体加热方法相比，采用自加热方法的合金床层启动时间和启动能耗降低了两个数量级，合金床层总的吸氢反应时间缩短了58.8％。未来，可通过原位监测技术进行相关的实验，观察镁基储氢材料床层内部反应过程。
文献信息
Yao J, Wu Z, Luo Q, Hu B, Li Q. Reaction-induced localized self-heating achieving fast and efficient hydrogen storage of modular Mg-Ni-Y alloy bed, J. Mater. Sci. Technol., 2026(252): 127-134.
作者介绍
第一作者：
尧兢，重庆大学弘深青年教师、博士后。研究方向为储氢材料床层氢-热-力多物理场耦合机制、储氢罐设计。参与国家重点研发计划、国家自然科学基金等国家省部级项目4项，以第一作者身份在J. Mater. Sci. Technol.、J. Energy Chem.、Appl. Energy等期刊发表论文11篇，授权发明专利5件。
通讯作者：
吴震，西安交通大学教授、博导、化工机械所副所长和支部书记，西安交通大学“青年拔尖人才”（A类）。研究方向为固态储氢与燃料电池，牵头主持国家重点研发计划重点专项项目（2项，均担任首席科学家）、国家重大科技专项项目任务（1项，任务负责人）、国家自然科学基金项目（3项）等国家级项目6项以及陕西省重点研发计划专项项目（3项）等省部级项目10余项。一作或通讯作者在Chem. Rev.、J. Energy Chem.等期刊发表论文80余篇，授权发明专利25件，成果转化6件，制定固态储/释氢团体标准4项（牵头2项）。获中国发明创业奖成果奖二等奖（第一完成人）、陕西省石化科学技术一等奖、中国发明创业奖人物奖等。
通讯作者：
李谦，重庆大学二级教授、博导、国家高层次人才特聘教授、国家重点研发计划项目首席科学家。任国际镁学会学术委员会副主任、中国有色金属学会第八届理事会常务理事、中国有色金属学会轻合金材料专业委员会主任委员。兼任J. Mater. Sci. Technol、J. Magnes. Alloy、Int. J. Min. Met. Mater.、J. Mater.、J. Mater. Inf.、Innov. Energy、《中国有色金属学报（中英文版）》等学术期刊的Associated Editor或编委。主持国家重点研发计划、863课题、国家支撑计划课题、国家自然科学基金等项目50余项。在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Acta Mater.、J. Mater. Sci. Technol等期刊发表SCI收录论文400余篇，引用13700余次，H因子64，入选爱思唯尔高被引学者、全球前2%顶尖科学家终身科学影响力排行榜；授权发明专利100余件（已转化应用10余件）；出版中文教材/专著2本，英文专著1本。曾获全国优秀博士学位论文奖、中国有色金属工业科学技术一等奖、中国有色金属创新争先奖、国际镁科学与技术奖、国际镁协会镁未来技术奖等。
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