氫能發展的核心挑戰在于低成本制取、安全儲運和高效應用，其中儲運環節是規?；瘧玫年P鍵。固態儲氫技術憑借體積儲氫密度高、安全性強等優勢成為重要方向，但仍面臨儲/脫氫速率低、循環壽命不足等瓶頸。精準評估材料的熱力學、動力學及循環穩定性等性能指標，是其研發和產業化的關鍵支撐，對氫能技術突破具有決定性意義。

國儀量子自研的高壓儲氫吸附儀，可實現儲氫材料在不同溫度、不同壓力環境下對氫氣的吸放氫性能分析，可有效表征材料吸放氫的溫度、平臺壓力、吸脫附量以及吸脫附速率等。評價方法包括：PCT/PCI等溫線測試、動力學測試、程序升溫脫附（TPD）測試、程序升溫吸附（TPA）測試以及循環壽命測試，通過對儲氫材料系統性的評價，助力固態儲氫行業的高質量快速發展。

圖片來源：攝圖網

01熱力學性能評價

PCT/PCI等溫線測試，PCT/PCI曲線是熱力學性能的主要表征手段，可體現儲氫材料的吸放氫量、吸放氫平臺壓以及吸脫附滯后特性等。如圖1所示，采用國儀量子自研的高壓儲氫吸附儀對鈦基材料儲氫性能的表征案例，在 10℃和 40℃條件下測試發現，隨著儲氫溫度升高，其吸放氫平臺壓均有一個明顯的躍升，且儲氫濃度隨著溫度的增加由1.91wt.%下降到1.79wt.%，從而為材料的使用條件提供實驗參考依據。此外，鐘教授團隊通過球磨技術制備了一種Mg-CeAl3@CeH2納米復合材料，并采用了國儀量子高壓儲氫吸附儀進行了PCT/PCI曲線測試[1]。

如圖2所示，得到了每個溫度下的脫氫平衡壓力，并使用范特霍夫方程計算了脫氫焓變和熵變，與球磨純鎂 (77.9 k/J mol H2) 相比，脫氫焓顯著降低[2]，結果表明，添加了CeAl3@CeH2復合材料顯著降低了Mg的放氫溫度。 

圖1 鈦基儲氫材料PCT等溫線測試

儲氫條件：左圖（10℃，10MPa），右圖（40℃，10MPa）

圖2 鎂基儲氫材料PCT等溫線(a)和(b)；范特霍夫圖(c)和(d)；(a)和(c): Mg-10wt% CeAl3@CeH2；(b)和(d): Mg-20wt% CeAl3@CeH2[1]。

02動力學曲線測試

動力學曲線測試是評估儲氫材料性能的重要手段，它能有效表征儲氫材料的儲氫與脫氫條件、吸脫附速率以及活化能等關鍵參數。這些參數對于準確評估材料質量、明確材料改性方向具有重要參考價值。如圖3為鎂基儲氫材料動力學曲線表征案例，通過吸氫和放氫的動力學分析，可得到材料的吸脫氫的速率情況。此外，動力學測試的意義不止于考察儲氫與脫氫的條件及速率，它還能深入表征材料儲氫與脫氫過程所需的能量。燕山大學沈同德老師課題組合成了摻雜Ni/C納米催化劑的MgH2復合材料(MgH2-Ni/C)，并采用國儀量子高壓儲氫吸附儀進行了儲氫動力學曲線測試[3]。

如圖4所示，在2 MPa的氫氣壓力下，將兩種材料在100℃下的吸氫動力學曲線進行對比，MgH2-Ni/C在100分鐘內吸氫量為4.89 wt.%，而未摻雜的MgH2吸氫量只有2.05 wt.%（圖4a），催化劑的摻入顯著加快了MgH2的吸氫速率；再進一步通過阿倫尼烏斯（Arrhenius）擬合圖（圖4f）計算得到MgH2-Ni/C的吸氫活化能為48.9±1.1 kJ mol-1，顯著低于未摻雜的MgH2的75.6+4.1 kJ mol-1?？梢?，Ni/C催化劑的加入顯著降低了吸氫反應的能壘，吸氫動力學得到了有效改善。

圖3 鎂基儲氫材料動力學曲線測試

左圖：吸氫動力學曲線，右圖：脫氫動力學曲線

圖4 (a) MgH2 -Ni /C和MgH2在100℃時的儲氫動力學曲線；(b) MgH2 -Ni /C和MgH2 (c)在不同溫度下氫氣壓力為2 MPa時的儲氫動力學曲線；(d) MgH2 -Ni /C和MgH2 (e)的JMAK圖；(f) MgH2 -Ni /C和MgH2的阿倫尼烏斯(Arrhenius)圖[3]。

03TPD&TPA曲線測試

通過程序升溫脫附（TPD）及程序升溫吸附（TPA）測試，可評價儲氫材料在特定條件下的儲脫氫行為及儲脫氫溫度，為儲脫氫的機理分析提供實驗依據。如圖5所示，通過TPD曲線測試（左圖），可知此鎂基儲氫材料在190℃時開始脫氫；通過TPA曲線測試（右圖）可知，此合金儲氫材料在200℃時，其吸附量會有一個陡然上升階段，也即在200℃時開始大量吸氫。此外，鐘教授團隊通過采用國儀量子高壓儲氫吸附儀的程序升溫脫附（TPD）測試功能進一步考察了材料的脫附活化能[1]。如圖6所示，根據TPD數據（圖6a和6b），采用Kissinger方程計算了Mg-10wt% CeAl3@CeH2和Mg-20wt% CeAl3@CeH2的脫氫活化能，分別為115.8和99.1 kJ/mol H2, 和最近報道的一些鎂基儲氫材料相比，CeAl3@CeH2的摻雜使脫氫活化能均有所降低。

圖5 鎂基儲氫材料TPD曲線測試（左圖），合金儲氫材料TPA曲線測試（右圖），其中藍色線為濃度曲線，紅色線為升溫速率曲線。

圖6 TPD測試曲線(a)和(b)；基于TPD數據(c)和(d)的Kissinger圖；(a)和(c): Mg-10wt% CeAl3@CeH2；(b)和(d): Mg-20wt% CeAl3@CeH2[1]。

04循環壽命測試

對于儲氫材料而言，穩定性及循環儲脫氫性能也是評價材料儲氫性能的重要指標，通過循環壽命測試，能清晰地展現出材料在多次儲氫、脫氫循環后，其性能的變化趨勢，為判斷材料能否滿足實際應用需求提供了重要依據。如圖7所示，分別是不同的鎂基儲氫材料的循環測試案例，可發現儲氫材料經過10圈循環后（左圖），其儲氫濃度有一個明顯的持續下降趨勢，而右圖儲氫材料，經過30圈的循環測試，其儲氫濃度基本維持在初始水平，具有優異的循環穩定性能。此外，燕山大學沈同德老師課題組采用我司高壓儲氫吸附儀的自動循環測試功能來評價材料的壽命情況[3]。如圖8所示，與MgH2相比，MgH2-Ni/C具有更優越的循環性能(圖8a和8b)，MgH2-Ni/C和MgH2的初始吸氫量分別為6.08 wt.%和6.81 wt.%，經過50次循環后，MgH2-Ni/C保持6.01 wt.%（初始容量的98.8%）的高容量，而MgH2的容量較低，為5.80 wt.%（初始容量的85.2%）（圖8c），MgH2-Ni/C的吸氫容量在循環過程中保持穩定，而未摻雜的MgH2的容量在前5次循環中有大幅下降并逐漸遞減。

圖7 不同鎂基儲氫材料循環壽命測試曲線 

左圖：10圈循環，右圖：30圈循環

圖8 (a) MgH2 -Ni /C和MgH2 (b)在300℃時的循環壽命測試曲線, REH和DEH分別代表加氫和脫氫；(c) MgH2 -Ni /C和MgH2的循環容量（吸氫量）比較[3]。

05參考文獻

[1] Zhong, Haichang, et al. "Superior de/hydriding kinetics and cycling stability of Mg-CeAl3@ CeH2 nanocomposites." Journal of Alloys and Compounds 1010 (2025): 177484.

[2] Zhong, H. C., et al. "Microstructure and hydrogen storage properties of Mg–Sn nanocomposite by mechanical milling." Journal of Alloys and Compounds 509.11 (2011): 4268-4272.

[3] Ding S, Qiao Y, Cai X, et al. A novel carbon-induced-porosity mechanism for improved cycling stability of magnesium hydride[J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2024.

國儀量子參與儲氫國標制定

作為國產高端科學儀器發展的引領者，國儀量子參與起草了GB/T 44007-2024 《納米技術 納米多孔材料儲氫量測定 氣體吸附法》，并于2024年8月1日實施。本標準適用于以物理吸附儲氫的碳材料、沸石、金屬有機框架材料、多孔有機聚合等納米多孔材料儲氫量的測定，其他多孔材料儲氫量的測定也可參照使用。此舉標志著我國在儲氫技術標準化領域邁出重要一步，將進一步推動氫能產業的高質量發展。