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氢能规模化应用的核心瓶颈在于安全、高效、低成本的储运技术。复杂金属硼氢化物中，LiBH₄ 具有高达18.5 wt.% H₂ 的理论储氢容量和121 kg H₂ m^-3的体积储氢密度，被视为极具潜力的高容量固态储氢载体。然而，LiBH₄ 脱氢后生成的 B 和 LiH 对 H₂ 分子反应活性极低，使硼氢化物再生长期依赖高温高压等苛刻条件，严重限制了其可逆储氢应用。

 

针对这一难题，浙江大学、复旦大学等团队在Nature Nanotechnology发表研究，首次从硼纳米簇表面活性位点出发，揭示了H₂必须先解离为H原子、并在低配位B_spike位点形成B-H键的关键机制。在此基础上，研究团队构筑了约10 nm LiBH₄纳米颗粒与约3 nm Ni催化簇耦合的nano-LiBH₄@30Ni复合体系，使脱氢产物B/LiH在30°C、100 bar H₂条件下即可重新氢化，为高容量硼基储氢材料的低温可逆再生提供了新的思路。

 

LiBH₄的难点不在“容量”，而在“再生”

 

LiBH₄的储氢容量优势十分突出，但真正限制其应用的并不是单次脱氢，而是脱氢后B/LiH难以重新氢化回LiBH₄。传统LiBH₄通常需要超过400℃才能脱氢，而从LiH + B重新生成LiBH₄往往需要600°C、350 bar H₂等极端条件。这项工作的核心突破在于：解释了B为什么难以氢化、怎样才能重新形成B-H键。

● 理论计算表明，H₂分子难以直接与B团簇有效反应；B-H键形成的前提是H₂先解离成原子H。

● B团簇表面的低配位、突出的B_spike原子是H原子吸附和B-H键形成的主要活性位点。

● B团簇尺寸越小，B_spike原子比例越高；将B缩小至超细纳米尺度，是提升B/LiH再氢化活性的关键。

 

Figure 1. Theoretical calculations reveal Bspike active sites and the size-dependent hydrogenation reactivity of boron clusters

 

从30°C氢化到高容量循环

 

基于上述认识，作者设计了nano-LiBH₄@30Ni层级纳米结构：约10 nm LiBH₄初级颗粒由约3 nm Ni催化簇修饰，并组装成100-150 nm二级球形颗粒。脱氢后，体系形成5-10 nm尺度紧密接触的B/LiH/Ni纳米结构，为后续低温再氢化提供了空间基础。

 

一、近室温吸氢：30°C下启动B/LiH向LiBH₄再生

 

● 在100 bar 氢压下，Ni修饰B/LiH纳米复合物的氢化起始温度低至30°C；相比无Ni的nano-B/LiH和bulk-B/LiH，分别降低约170°C和295°C.

● 30°C、100 bar氢压下材料可吸收约1.7 wt.% H₂；50°C、120 bar 氢压下吸氢量提升至约3.3 wt.% H₂。

● 当温度提升至200°C和250°C时，在100 bar氢压条件下吸氢量分别达到约7.9 wt.%和9.0 wt.% H₂，显示出较高可逆容量潜力。

 

Figure 4. Hydrogenation of the dehydrogenated nano-LiBH₄@30Ni under different temperatures and hydrogen pressures.

 

二、低温脱氢与循环：脱氢速率和可逆容量同步改善

 

● nano-LiBH₄@30Ni的起始脱氢温度约为120°C，脱氢峰温约为286°C，明显低于原始LiBH₄和无Ni的nano-LiBH₄。

● 在300°C等温脱氢条件下，该材料60 min内可释放约9 wt.% H₂；原始LiBH₄在相同条件下释放量低于0.4 wt.% H₂。

● 平均脱氢速率较原始LiBH₄提升43.5倍；经过20次循环后仍保持约8.2 wt.%的可逆氢容量。

 

Figure 6. Dehydrogenation performance and cycling stability of the nano-LiBH₄@30Ni composite

 

机制：B_spike活性位点+Ni簇H₂解离+氢溢流

 

这项工作的机制逻辑可以概括为三句话：B本身难以直接吸附H₂；Ni纳米簇负责把H₂解离为活性H原子；超细B/LiH纳米结构提供足够多低配位B_spike位点，使H原子可以逐步形成B-H键并最终再生LiBH₄。

 

三、Ni纳米簇调控B/LiH氢化反应路径

 

● DFT计算显示，3 nm级Ni簇中的Ni t_2g轨道可与H₂的反键σ*轨道有效杂化，促进电子从Ni向H₂转移，从而削弱H-H键。

● 在Ni簇作用下，H-H键长由0.751 Å增至0.949 Å，说明H₂被显著活化，更容易解离为H原子。

● Ni簇还会与B簇形成Ni-B异质界面，界面电荷积累和轨道杂化可削弱B-B键，使B更容易发生氢化。

● NMR结果显示，氢化过程中依次出现Li₂B₅H₅、Li₂B₇H₇、Li₂B₃H₈等中间相，最终生成LiBH₄；这说明再氢化是由表面向内部推进的多步过程。

 

Figure 5. Hydrogenation mechanism of nano-LiBH₄@30Ni: Ni-catalysed H₂ dissociation, surface hydrogenation and H diffusion

 

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1.Solvent-mediated partial ionicity enhances mechanical nanosizing effect of Mg-based hydrogen storage alloys. Nature Communications (2026)

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