前言

材料、信息、能源是人类社会的三大支柱。随着世界科技的发展与经济规模的不断扩大，人类对能源的需求与日俱增。石油、煤炭和天然气等化石能源引领了 20世纪人类的工业革命。但化石能源因过度消耗而日渐匮乏，其高污染排放也给生态环境带来了前所未有的压力。开发可持续清洁能源从而满足世界日益增长的能源需求已成为当下研究的热点和前沿方向。基于能源使用的零污染物排放原则，太阳能、潮汐能、风能、地热能等都是潜在的可替代化石能源的再生清洁能源。但上述可再生能源也存在时间局限性、地域局限性等诸多不稳定因素，需要优质的二次能源与之配合，才能实现在空间和时间上的“削峰填谷”。氢能具有能量密度高、功能多样性、无污染、无毒无害、储量丰富和环境兼容性等优势，是匹配一次能源的理想二次能源载体，有望在替代化石能源过程中发挥重大作用。

氢能全产业链包含制氢、储运氢和用氢 3 个关键环节。而氢能的高密度储运则是氢制取到应用的桥梁，也是制约世界和我国氢能布局的瓶颈环节。储氢技术主要分为低温液态储氢、高压气态储氢和固态材料储氢。而固态储氢材料根据氢在结构中的存在形式又可分为物理吸附材料和化学氢化物材料。从 1968 年储氢合金被发现以来，此类储氢材料就以其安全、高效、高储氢密度、便捷等显著优势成为较理想的储氢介质。当前，该领域已经研制出镧（稀土）系、钛铁系、镁系及锆（钒）系四大系列储氢合金。其中，镁基储氢材料具有原材料充裕、理论储氢密度高、充/放氢平台缓、可逆性好等优点，被认为是最具发展前景的大容量储氢材料之一。但镁基储氢材料活化困难、放氢温度高、吸放氢速度缓慢、吸放氢循环寿命短等缺点也成为其实际应用的障碍。镁是活泼金属，表面极易氧化，导致氢在镁表面解离困难。如何解决这些问题是镁基储氢材料领域研究的焦点和热点。早在 20 世纪 70 年代，研究人员就开始探索用镍、铜、钛、铝、铥和稀土元素等与镁进行合金化以改善其动力学性能，如镁-镍、镁-稀土和镁-过渡金属-稀土等体系。另一方面，随着纳米材料与纳米技术在 20 世纪 80 年代的兴起，“纳米化”也被广泛应用于改善镁基储氢材料的性能。在复合化和纳米化的研究过程中，催化作用越来越得到关注。迄今为止，改善镁基储氢材料吸放氢性能的方法主要有合金化、复合化、纳米化和催化等。未来，镁基储氢材料需要在成分优化和合成方法两个方面进行深入研究，向多元化镁基储氢材料和多方法调控制备技术方向发展。

针对这一备受关注且迅速发展的领域，国内外已经从多个角度出版了一些关于氢能利用和储氢材料方面的书籍。但鲜见系统总结镁基储氢材料研究进展的专业书籍，为了促进镁基储氢材料的发展，帮助读者更好地了解镁基储氢材料的最新进展，我们编写了这本《镁基储氢材料》，力求较全面反映镁基储氢材料领域取得的新进展和发展趋势，同时希望为从事本专业的技术人员，以及有志于本专业的人员提供专业参考。本书重点介绍镁基储氢材料体系的组分、结构与储氢特性、镁基储氢材料的制备方法与表征测试技术、镁基储氢材料热力学与动力学改性方法及其应用。

全书共分为 5 章，由李谦教授、潘复生院士共同编写。第 1 章主要介绍镁基储氢相及其氢化物的结构和性质、镁基材料氢化物的热力学，从简单体系拓展到多元多相体系；第 2 章以理论与实验研究相结合的方式，介绍镁基储氢材料吸放氢反应的宏微观过程动力学模型及影响因素；第 3 章围绕加工工艺—微观组织—储氢性能关系等，重点阐述镁基储氢合金、镁基纳米及复合储氢材料的先进制备技术，并介绍镁基储氢材料的制粉与氢化方法；第 4 章主要阐述镁基储氢材料的测试技术和方法，重点介绍各项性能指标的测试方法、步骤、注意事项以及结构解析和吸放氢机理方面的表征技术；第 5 章从调控镁基储氢材料热力学与动力学出发，重点阐述吸放氢反应热力学与动力学的影响因素和改善方法，同时介绍镁金储氢材料的具体应用实例。本书在内容上力求简明扼要，将反应热力学和动力学理论知识与镁基储氢材料吸放氢过程紧密结合，以我们课题组的工作成果为主线，并总结国内外镁基储氢材料相关的理论和技术最新进展，经过不断完善和调整编写而成。力求新颖，紧跟时代，注重体现我国科研人员在镁基储氢材料研究中所做的贡献，既可作为相关行业技术从业人员的参考书籍，也可作为高等院校相关专业教学参考书。

鉴于镁基储氢材料发展日新月异，相关文献资料浩如烟海，我们尽量收集国内外的最新研究资料，力求客观准确。但由于编者水平所限，难免以偏概全，甚至有取舍不当、疏漏、不妥乃至错误之处，恳请各位专家和读者批评指正。本书在编写过程中参考了部分参考文献。在此，对文献的作者表示深深的谢意。希望本书能给那些对该领域感兴趣的同行带来帮助，并欢迎大家对本书所覆盖的任何观点和问题进行反馈和开展讨论。

2022年3月