金属氢化物是氢能研究中的一类重要功能材料，在固态储氢、离子传导及催化等领域均具有广泛应用。传统金属氢化物制备通常以分子氢为氢源，氢气在金属表面经历吸附和解离后进入金属晶格；对于不少金属—氢体系，还需要通过升温和/或加压等方式克服反应势垒并促进氢化物形成。
近日，吉林大学物理学院高压与超硬材料全国重点实验室邹勃教授、隋永明教授团队联合吉林大学段德芳教授和西安交通大学刘刚教授，在温和条件制备功能金属氢化物及氢转化研究方面取得重要进展。相关成果以“Hydrogen-Trapping Cage Engineering Enables Mild-Condition, Direct Proton Conversion to Functional Metal Hydrides”为题发表在期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）。
初中化学的经典理论表明，多数活泼金属可与酸发生置换反应，生成盐并释放氢气。这一基础反应规律，也塑造了学界长期以来的固有认知：酸中的质子与金属发生反应后，通常只会以氢气的形式逸出体系，并不会嵌入金属晶格、生成金属氢化物。基于此，邹勃教授团队提出了一个看似朴素、却极具研究挑战性的科学问题：若将该反应置于密闭反应釜体系中，反应析出的氢气能否进一步与金属发生二次反应，最终生成金属氢化物？
从“高压氢气氢化”到“质子直接成氢化物”
传统金属氢化物合成的核心前提，是金属与分子氢发生反应。氢气首先需要在金属表面经历吸附和解离，形成原子氢后进一步向材料内部扩散，在满足热力学与动力学条件时生成相应的氢化物。因此，在不少金属—氢体系中，提高氢压、升高温度或引入催化位点，都是促进氢化反应的重要手段。
这项工作的关键变化在于，作者把氢源由H2直接转向酸性环境中的H+。H+在金属表面获得电子形成吸附态原子氢（H•），随后快速渗入金属内部；同时，酸腐蚀与氢脆诱导形成微裂纹、位错、空位团簇及内部孔隙等多级缺陷网络，在金属内部原位构筑“氢捕获笼”（HTC）。由此，溶液中的质子可直接参与氢化物形成，无需先经历完整的“制氢—纯化—压缩—分子氢解离”链条。
根据作者的报道，该方法能够在常压、温和条件下实现质子向金属氢化物的直接转化。从方法学角度看，这一工作真正改变的是金属氢化物的“形成方式”：将酸腐蚀、原子氢渗透和缺陷捕氢等过程耦合起来，构建了一条区别于传统高压H2氢化的新路径。
图1 HTC-MHx的合成、材料适用范围及与传统高压H2路线的温度对比
“氢捕获笼”为什么能够稳定氢？
氢进入金属后能否被有效保留，与材料内部的缺陷状态和局域晶格环境密切相关。微裂纹、位错、空位团簇及内部孔隙既可为氢进入金属内部提供通道，也能提高局域氢驻留浓度。本工作反向利用通常与氢脆相关的缺陷效应，通过酸腐蚀和氢脆过程主动构筑富缺陷区域，使其成为能够捕获、富集并稳定氢的HTC结构。
这种设计具有双重作用。一方面，局域缺陷能够提高氢在材料内部被捕获和稳定的概率，为氢化物成核创造条件；另一方面，缺陷丰富的多级结构也有利于氢物种在材料内部的传输与交换。因此，HTC并非简单意义上的几何“孔笼”，而是由多尺度缺陷、局域结构及其对应能量环境共同形成的氢捕获、稳定与迁移体系。
论文通过比较氢致晶格畸变产生的局域等效化学压强|ΔPₑq|与传统高压氢化所需的物理临界压强ΔPₚh，并结合目标氢化物在常压下的热力学稳定性，建立了氢化物成相与稳定留存的判据：当|ΔPₑq|＞ΔPₚh且目标氢化物在常压下稳定时，氢化物可稳定形成并长期留存。基于该策略，团队成功制备了21种高纯度金属氢化物；目前该方法的实验验证仍主要适用于金属箔基材料体系。
图2 HTC稳定机制及等效内压判据的代表性验证
从材料合成走向功能验证
为了验证HTC结构不仅能够促进氢化物形成，还能够改善氢物种在固体中的迁移与交换，作者进一步选择TiH2进行功能验证。构筑富含HTC结构的HTC-TiH2后，材料表现出更高效的氢物种迁移与交换能力，并被用于电催化硝酸盐还原制氨。
在−0.7 V（vs. RHE）下，HTC-TiH₂实现了1.07 A·cm-2的硝酸盐还原制氨电流密度，分别为纯钛与传统TiH2的2.8倍和2倍。同位素示踪进一步表明，HTC缺陷结构可促进晶格氢与溶液质子的动态交换并提升氢物种迁移效率，说明该结构不仅参与“质子—氢化物”转化，也可进一步促进氢的传输与化学转化。
图3 HTC-TiH2的结构表征、硝酸盐还原制氨性能及同位素示踪结果
对固态储氢研究的启发：重点不在“容量”，而在“氢化物如何形成”
这项工作并不是一篇典型的储氢性能研究，但从金属氢化物研究的底层问题来看，这项工作仍然具有值得储氢领域关注的意义。金属氢化物形成的本质，涉及氢的进入、扩散、捕获、成核与相变。HTC策略提供了一种新的思考方式：通过主动构筑氢捕获环境，可以重新设计氢进入固体并被稳定的路径，而不必完全依赖传统的高压分子氢气氛。
对于固态储氢材料研究而言，这种思路未来可能进一步启发低温氢化、缺陷调控、界面储氢以及氢传输行为的研究。尤其是在Mg、Ti等典型氢化物体系中，材料性能往往同时受到表面解离、体相扩散和氢化物成核等多个过程限制。如何通过可控缺陷和局域能量环境强化氢捕获与传输，仍是值得持续探索的方向。当然，HTC策略能否进一步转化为具有高可逆容量、良好循环稳定性和适宜热力学特性的储氢体系，还需要后续更加系统的储氢性能验证。
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