【文章信息】
镁基固态储氢：从材料工程到智能系统设计
第一作者：刘哲瑜，邵龙飞
通讯作者：赵颖燕，林羲，邹建新
单位：上海交通大学材料科学与工程学院氢科学中心
研究背景：
在“双碳”目标与全球能源结构转型的背景下，氢能因其清洁、高效和可再生能源耦合潜力，被认为是构建未来低碳能源体系的重要载体。然而，氢气在大规模储存与长距离运输过程中仍面临安全性、能量密度、成本和基础设施适配等关键挑战。传统高压气态储氢和液态储氢技术虽已具备一定应用基础，但前者存在压力高、安全风险和体积储氢密度受限等问题，后者则面临液化能耗高、低温绝热要求严格等瓶颈。因此，发展高安全、高容量、低成本的新型储运氢技术，是推动氢能规模化应用的重要方向。
镁基固态储氢材料凭借储氢容量高、资源丰富、成本低、安全性好等优势，在固态储氢、运输与纯化等领域展现出广阔前景。与此同时，镁基材料也存在吸放氢动力学较慢、热力学稳定性较高、反应热效应显著和导热性能不足等问题，限制了其工程化应用。近年来，研究人员围绕材料合金化、催化改性、纳米结构调控以及系统级热氢耦合优化开展了大量研究，推动镁基固态储氢从实验室材料研究逐步迈向吨级系统示范与智能化设计。
在此背景下，上海交通大学邹建新团队系统梳理了镁基固态储氢材料从材料工程到智能系统设计的发展脉络，重点总结了镁基材料改性策略、吨级储运氢系统工程示范以及智能辅助建模软件 Hystem 1.0 的开发与应用，为下一代镁基固态储氢系统的材料—系统协同设计提供了重要参考。
研究亮点：
1.系统总结了镁基固态储氢材料在合金化、催化改性和纳米结构调控方面的研究进展。
2.梳理了镁基固态储氢系统在吨级储运氢装备、跨境绿氢运输、氢冶金和加氢站等场景中的工程示范。
3.介绍了基于热—氢耦合模型开发的固态储氢系统智能辅助建模软件 Hystem 1.0。
综述内容：
1.镁基固态储氢材料的工程化调控策略
镁基储氢材料因储氢容量高、安全性好、成本低，被认为是固态储氢领域的重要候选材料，但其实际应用仍受吸放氢动力学缓慢和热力学稳定性高等问题限制。为改善性能，研究人员主要发展了合金化、催化改性和纳米结构调控三类策略。合金化通过引入 Ni、Fe、Ti、In 及稀土元素等调节材料热力学性质并提升动力学性能；催化改性利用过渡金属、碳材料及其化合物促进氢分子解离和氢扩散；纳米结构调控则通过减小颗粒尺寸、增加比表面积和缺陷密度，缩短扩散路径并降低反应焓变。近期，邹建新团队构建了氮掺杂多孔碳限域 MgH₂ 复合材料，实现了宽温区物理—化学协同储氢，为镁基储氢材料多功能化设计提供了新思路。
2.镁基固态储氢系统的工程化示范
面向面向镁基固态储氢技术的工程化应用，上海交通大学团队构建了涵盖热量传递、质量传递和动量传递的热—氢耦合模型，用于反应器结构设计、温度场预测、吸放氢过程优化及系统安全评估，为吨级储运氢装备开发提供了重要支撑。近年来，团队在镁基固态储运氢系统工程化方面取得系列突破。2023 年，团队联合氢枫能源研制出世界首台吨级管束式镁基固态储运氢车，储氢容量约1000kgH₂，氢气运输能力达到现有20MPa 高压长管拖车的3–4 倍，可在室温、低压条件下实现安全、低成本运输。2024年，团队进一步通过热—氢耦合优化设计，研制出吨级罐式镁基固态储运氢集装箱。该20英尺标准集装箱装填约15.6tMg-Ni 基合金颗粒，实测可逆储氢容量达1005kgH₂，基于Mg-Ni基氢化物质量的储氢容量约为6.05wt.%，内部体积储氢密度约 57.8kgH₂m-3，材料循环稳定性超过3000次。在应用示范方面，该罐式镁基固态储氢系统已成功用于2025年马来西亚至中国香港、2026年上海至越南的跨境绿氢运输，并在宝武集团氢冶金示范项目和加氢站储运氢场景中实现应用。上述成果表明，镁基固态储氢技术已从材料研究和实验验证阶段，逐步迈向吨级装备开发与多场景工程示范应用。
3.固态储氢系统智能辅助建模软件 Hystem 1.0
基于长期工程实践经验，团队开发了面向固态储氢系统设计的智能辅助建模软件Hystem1.0。该软件覆盖高温镁基储氢、近室温储氢合金和低温 MOF 基固态储氢系统，可为不同类型储氢装置提供结构设计、性能预测和参数优化支持。Hystem1.0 以热—氢耦合模型为核心，用户输入结构、热力学、动力学、物性及控制参数后，软件可自动计算储氢容量和系统质量，并生成对应数值模型，用于预测反应进程、温度分布及系统运行性能。其模型将金属氢化物床层视为多孔介质，综合考虑传热、传质、气体流动和吸放氢反应动力学，并基于 COMSOL Multiphysics 采用有限元方法求解。该模型已通过大型油浴加热式镁基储氢罐实验验证。实验系统装填约1200 kg Mg-Ni 合金，可在12h 内吸放约75kgH₂；模拟温度演化与实验结果吻合良好，表明 Hystem1.0 能够可靠预测大型镁基储氢系统的温度分布和放氢行为，为固态储氢系统工程化设计提供了有效工具。
综述小结：
镁基固态储氢技术兼具高容量、高安全性和低成本优势，是支撑氢能规模化储运的重要候选技术。本文围绕“材料工程—系统示范—智能设计”三条主线，系统总结了镁基固态储氢领域的最新进展。首先，文章梳理了通过合金化、催化改性和纳米结构调控提升镁基材料吸放氢性能的关键策略；其次，介绍了吨级管束式储运氢车和罐式储运氢集装箱等工程化成果，以及其在跨境绿氢运输、氢冶金和加氢站等场景中的示范应用；最后，重点阐述了 Hystem 1.0 智能辅助建模软件在固态储氢系统设计、热—氢耦合建模和性能预测中的作用。未来，镁基固态储氢技术的发展将更加依赖材料设计、系统工程和人工智能方法的深度融合。通过构建数据驱动的材料筛选平台、开发高效热管理结构、优化系统运行参数并形成实时自适应控制策略，镁基固态储氢有望进一步突破工程化瓶颈，在绿色氢能储运、工业脱碳和分布式能源系统中发挥重要作用。