以氢为燃料的燃料电池技术正快步迈向实用化,燃料电池装置在船舶上的应用研究取得了巨大的成就,采用燃料电池混合动力的潜艇已投入运行。此外,随着航运压力的增加,燃料电池和氢能技术有望进入船舶领域并进一步发展来减少有害排放。通过燃料电池和氢能技术,海运和运输行业的未来可以是绿色和可持续的。在燃料电池的应用过程中,氢气的存储技术作为一新型研究方向,受到广泛的关注。金属Mg储氢容量高、可逆性好且成本低,具有很大的商业化潜力。然而,MgH₂的实际应用仍然受到各种挑战。在广泛总结前人研究的基础上,为更深入的探索高效催化剂对MgH₂的改性作用,本文采用简易的湿化学球磨法成功地制备得到ZrMn₂,ZrCo和Zr_0.4Ti_0.6Co纳米合金。通过XRD、SEM、TEM、DSC以及Sievert型吸放氢性能测试等手段,详细地研究了ZrMn₂,ZrCo和Zr_0.4Ti_0.6Co对MgH₂的微观结构、吸放氢性能以及动力学特性的影响,主要工作如下:首先研究了ZrMn₂纳米颗粒对MgH₂微观结构和储氢性能的影响。实验表明,添加ZrMn₂纳米颗粒可显著提高MgH₂的吸放氢性能。掺杂10wt%ZrMn₂的MgH₂复合材料在181.9°C开始放氢。在300°C时,掺杂10wt%ZrMn₂的MgH₂复合材料5 min内能放出6.7 wt%的氢气。更为显著的是,放氢后的复合材料在3 MPa的氢压和室温下就能吸氢。此外,与纯MgH₂相比,掺杂10wt%ZrMn₂的MgH₂复合材料的放氢活化能和再吸氢活化能分别降低到82.2±2.7 kJ/mol和22.1±2.7kJ/mol。TEM分析表明,ZrMn₂纳米颗粒均匀分布在MgH₂基体中。密度泛函理论计算进一步地证明ZrMn₂的存在能有效促进Mg-H键的断裂,故MgH₂的吸放氢性能得到显著改善。其次研究了ZrCo纳米片对MgH₂微观结构及储氢性能的影响。结果表明:添加10 wt%ZrCo纳米片改性后的MgH₂复合材料在300°C下5 min内能解吸约6.3 wt%H₂,甚至在120°C和3 MPa氢气压力下10 min内可吸收4.4 wt%H₂。经计算,MgH₂+10 wt%ZrCo复合材料的脱氢和吸氢活化能分别为90.4±1.6kJ/mol和57.6±1.0 kJ/mol,合理地解释了MgH₂脱/加氢性能显著提高的原因。XRD和TEM结果表明,随着ZrCo的添加,氢在复合材料中的扩散变得更加容易,ZrCo在Mg/MgH₂界面上起到帮助氢扩散的“氢泵”作用。另外,石墨烯能有效地改善复合材料的循环性能,使复合体系的氢容量趋于稳定。在上一章石墨烯有效保证氢容量的基础上,采用Ti部分替代Zr并设计MgH₂+10wt%Zr_0.4Ti_0.6Co/5wt%CNTs复合材料,以此来增加MgH₂的储氢性能。实验表明,掺杂10 wt%Zr_0.4Ti_0.6Co纳米片和掺杂10wt%Zr_0.4Ti_0.6Co/5wt%CNTs的MgH₂复合体系升温放氢速率一致。基于对良好循环性能的要求,取MgH₂+10wt%Zr_0.4Ti_0.6Co/5wt%CNTs复合体系做进一步研究。由于10wt%Zr_0.4Ti_0.6Co/5wt%CNTs的存在,MgH₂的放氢和吸氢的活化能分别降低至70.5±7.8 kJ/mol和35.8±3.8 kJ/mol。Zr_0.4Ti_0.6Co和碳纳米管的双重功效使得MgH₂在多次循环后仍具有可持续的催化活性,因此具有很高的实用价值。