首次实现！浙江大学，Nature Nanotechnology！

米测MeLab

2026-05-26

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

编辑丨风云

研究背景

硼氢化锂(LiBH₄)因其极高的储氢容量（18.5 wt%）而被视为极具前景的氢载体。然而，其脱氢产物（硼和氢化锂）与氢气分子的反应活性极低，导致硼氢化物的再生极其困难。传统上，LiBH₄的再生需要超过600°C的高温和350 bar的高压，这种苛刻的条件严重限制了其在实际储氢中的应用。

关键问题

目前，硼氢化锂在储氢中的应用主要存在以下问题：

1、脱氢产物反应活性低下

硼和氢化锂对双氢分子的反应活性极差，这使得从基本组分重新生成硼氢化物的过程面临巨大的动力学障碍。

2、再生条件极端，无法满足商业化需求

现有的再生技术即便采用催化或纳米化手段，其加氢温度仍普遍高于200 °C，无法满足近室温下的商业化储氢需求。

新思路

有鉴于此，浙江大学潘洪革教授团队在Nature Nanotechnology发表论文，首次实现了硼基储氢材料在‌30℃近室温条件下的可逆氢化‌，解决了该材料长期需要高温再生的难题 。研究团队从理论上揭示了H₂解离为H原子并被活性Bspike原子（具有低配位和高反应性的表面突出硼原子）吸附是形成B-H键的前提，而非H₂与B的直接反应。此外，随着B团簇尺寸减小，Bspike原子的比例呈指数级增长，表明将B粒径缩小至超小尺度对于增强加氢活性至关重要。据此，作者实验合成了由3 nm Ni催化团簇修饰的超细LiBH₄纳米颗粒组成的纳米复合材料用于储氢。脱氢后，该复合材料在5-10 nm尺度上形成了紧密接触的B和LiH团簇，而Ni团簇保持完整。Ni团簇不仅促进了H₂解离，还与B团簇强烈相互作用，削弱了B-B键，从而使B/LiH在100 bar H₂下、低至30 °C的温度下即可加氢回LiBH₄。

技术方案：

1、设计并表征了纳米LiBH₄@30Ni

通过一锅法制备出3 nm Ni修饰的10 nm LiBH₄纳米颗粒，Ni起到辅助成核作用，实现了组分极高的分散度。

2、研究了镍修饰硼纳米粒子的加氢性能

脱氢产物在30 °C即可开启加氢，吸氢量随温压提升显著，成功克服了LiBH₄再生的极高温度障碍。

3、解析了加氢反应微观机理

Ni的t2g轨道促进H₂解离，超小B团簇的Bspike原子作为活性位点，通过氢溢流效应实现了室温下的B-H键形成。

4、展示了纳米LiBH₄@30Ni的储氢性能

脱氢温度大幅降低，动力学提升43倍，且20次循环后容量保持稳定，证明了材料优异的实用潜力和结构稳定性。

技术优势：

1、揭示了加氢微观前提

理论上证实了加氢的关键在于H₂在活性Bspike位点的解离吸附，且减小硼粒径能指数级增加这些活性位点。

2、实现了储氢材料新纪录

研究首次通过3 nm Ni团簇与超细硼/LiH团簇的协同作用，在30 °C下实现了硼氢化锂的再生，打破了该领域长期的高温瓶颈。

技术细节

纳米LiBH₄@30Ni的设计与表征

研究团队采用氢辅助一锅溶剂热法，成功合成了具有分级纳米结构的LiBH₄基复合材料。该材料由直径约100-150 nm的纳米球组成，内部包含约10 nm的LiBH₄原生颗粒，且表面修饰有约3 nm的Ni团簇。SEM和EDS映射显示，B和Ni在材料中分布极其均匀。HRTEM进一步确认了LiBH₄的(011)晶面和金属Ni的(111)晶面条纹，Ni团簇嵌入在LiBH₄纳米颗粒内部。化学状态演变研究表明，金属Ni在LiBH₄形成之前就已生成，起到异质成核位点的作用，其含量直接影响LiBH₄的粒径：Ni含量越高，形成的LiBH₄颗粒越小。最终制得的nano-LiBH₄@30Ni复合材料（含30 wt% Ni）实现了组分的高度分散和结构的高度有序。

图  理论计算

图  纳米LiBH₄@30Ni的形貌和结构表征

镍修饰硼纳米粒子的加氢性能

nano-LiBH₄@30Ni在300 °C脱氢后转化为尺寸均小于5 nm的B、LiH和Ni团簇，这些组分在纳米尺度上紧密结合。加氢测试显示，该复合材料的加氢反应在30 °C即可启动，在100 bar H₂下，30 °C时可吸收1.7 wt% H，而提高至50 °C和120 bar时吸氢量增至3.3 wt%。相比之下，不含Ni的纳米B/LiH和块体材料的加氢起始温度分别高达200 °C和325 °C。此外，研究发现石墨烯会对加氢过程产生抑制作用，使反应势垒提高约60%，这与以往认为石墨烯增强动力学的观点不同。在200 °C下，该材料可实现7.9 wt%的高吸氢量，展现出卓越的近室温反应活性。

图  脱氢样品的结构和形态表征

图  脱氢纳米LiBH₄@30Ni的加氢性能

加氢反应微观机理

机理研究表明，超小Ni团簇的t2g轨道与H₂分子的反键轨道(σ*)高度重叠，通过电子转移促进了H₂的解离吸附，显著降低了反应能垒。对于硼组分，理论计算发现小粒径硼团簇中存在大量低配位的Bspike原子，其费米能级处具有局部态密度峰，能与H原子形成稳定的B-H键。同时，Ni团簇与B团簇之间形成的异质结通过电荷转移削弱了B-B键，促进了氢原子从Ni表面向B内部的迁移（溢流效应）。实验观察到的逐步加氢过程（形成Li₂B₅H₅、Li₂B₇H₇等中间体）证实加氢是从表面向内部扩散的，Ni团簇的催化和极小粒径B的活性共同实现了高效反应。 

图  纳米LiBH₄@30Ni的氢化机理

纳米LiBH₄@30Ni的储氢性能

在储氢循环测试中，nano-LiBH₄@30Ni展现了优异的性能。其起始脱氢温度仅约120 °C，峰值温度为286 °C，远低于纯LiBH₄。在300 °C下，该材料在60分钟内可释放约9 wt%的氢气，脱氢速率是原始LiBH₄的43.5倍以上。热力学分析显示，其脱氢焓降低了18.9%。更重要的是，该复合材料具有极佳的可逆性，在300 °C/100 bar循环条件下，20次循环后仍保持8.2 wt%的可逆容量，而原始LiBH₄在5次循环后容量即迅速衰减。TEM分析证实循环后材料仍保持纳米结构稳定，仅Ni团簇有轻微团聚。

图  纳米LiBH₄@30Ni复合材料的脱氢性能

展望

本研究通过精准的纳米结构设计，开发出一种能在30 °C近室温环境下实现加氢再生的LiBH₄@30Ni复合材料。研究深刻揭示了H₂在活性Bspike位点解离吸附及Ni-B界面电子相互作用在激活惰性硼组分中的核心作用。这一成果不仅突破了硼氢化物储氢容量虽高但难以循环的瓶颈，也为开发其他高容量轻元素储氢材料提供了一种通用的纳米催化策略。

参考文献：

Zhang, X., Xia, G., Li, C. et al. Room-temperature hydrogen storage of boron nanoclusters. Nat. Nanotechnol. 21, 689–698 (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41565-026-02150-z