氢能是未来零碳社会的核心能源载体，而安全高效的储氢技术是其规模化应用的关键。硼氢化锂（LiBH4）以其高达18.5 wt%的理论储氢容量是高容量储氢材料的实力候选，但其脱氢产物硼（B）与氢气分子在温和条件下几乎不反应，使该材料再生需要如600 °C高温、350 bar高氢压的苛刻条件，严重制约了其实际应用。
针对这一国际前沿难题，浙江大学材料科学与工程学院高明霞教授，浙江大学兼任教授潘洪革教授、张欣特聘研究员联合复旦大学夏广林教授等通过第一性原理计算与先进实验研究，突破了B–H键只能高温高压下形成的现状。首次从理论上揭示出氢气分子在超细Ni团簇的t2g轨道催化下解离为氢原子，并吸附于高活性硼团簇的低配位“尖端”位点，可实现B−H键的近室温重构，且硼团簇尺寸降至10 nm以下时，高活性硼团簇尖端位点比例呈指数级增长。基于该理论发现，团队独创“高压氢辅助溶剂热法”，成功构筑了由~10 nm LiBH4一次颗粒与~3 nm Ni团簇结合而成的多级复合物纳米球（纳米-LiBH4@Ni）。该材料脱氢后形成粒径5–10 nm的B/LiH纳米复合结构，在室温（30 °C）、100 bar氢压下即可吸氢形成B-H键，将硼氢化锂的放氢再生温度从600 °C降低至室温，为高容量储氢材料的实用化开辟了新路径。该成果于2026年5月19日在线发表于国际顶级期刊《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology），浙江大学为论文第一完成单位，浙江大学兼任教授潘洪革教授为论文通讯作者，张欣特聘研究员为第一作者（第一共同作者）。
论文内容简介：
LiBH4具有高达18.5 wt%的理论储氢密度，高容量储氢材料的代表，但其充分脱氢的产物硼 (B) 和氢化锂 (LiH) 与氢气分子的反应活性极低，再生为LiBH4通常需要600 °C以上、350 bar氢气的苛刻条件。长期以来，如何降低硼氢化物的再生温度是储氢领域的核心挑战之一。研究团队通过第一性原理计算和AIMD模拟，首次揭示了氢气分子即使在1000 K的高温下不能直接与硼团簇反应，而是必须先解离为氢原子，然后吸附于硼团簇表面的低配位高活性“尖端位点” (spike sites)，才能形成B−H键。通过统计分析发现，随硼团簇尺寸减小，表面spike位点比例呈指数增加 (图1)。当硼颗粒尺寸降至10 nm以下时，spike位点占比急剧上升，从而为B团簇的室温氢化提供了足够的活性位点 (图1)。因此，极小尺寸的硼纳米团簇和丰富的高效裂解氢气的催化位点是实现LiBH4放氢产物在低温下再生的关键。
图1 B团簇表面氢化反应影响规律的DFT模拟研究
基于该理论发现，研究团队开发了一种高氢压辅助的溶剂热法制备方法，在不引入载体的条件下，一步合成了由~10 nm LiBH4一次颗粒和~3 nm Ni团簇催化剂组成的多级复合全新结构纳米复合材料 (LiBH4@30Ni)，实现了LiBH4纳米颗粒和Ni团簇催化之间紧密交错分布的高效催化结构。该纳米复合材料在300 °C脱氢后，LiBH4充分分解形成了LiH和B，Ni团簇稳定存在，形成了Ni团簇修饰的B/LiH纳米结构，B和LiH颗粒保持5−10 nm尺度，Ni团簇分布均匀。该结构保障了Ni对B和LiH氢化再生的高效催化活性，为实现其室温氢化奠定了基础 (图2)。
图2 Ni团簇修饰的B/LiH纳米复合结构
本研究合成的纳米-LiBH4@30Ni复合材料的脱氢产物，即Ni修饰的B/LiH，在室温(30 °C)、100 bar氢气下就能开始吸氢 (图3)。当吸氢压力和吸氢温度小幅提升，氢化动力学显著提升。在50 °C、120 bar下，吸氢量可达3.3 wt%。与过去几十年文献报道的通过各种改性方法获得的LiBH4体系的最低再氢化温度普遍高于200 ℃相比，本工作直接实现了低至30 ℃的室温吸氢，是迄今为止所有报道的硼基储氢材料中最低的吸氢温度 (图3)
机理研究 (图4) 发现，Ni团簇的t2g轨道与H2的σ*轨道高度重叠，显著削弱H−H键强度，使H2分子在Ni表面高效解离为H原子。解离后的H原子通过氢溢流效应迁移至邻近的B团簇，形成B−H键。同时，Ni团簇与B团簇之间的强相互作用削弱了B−B键，进一步降低了B团簇氢化的动力学能垒。首次通过实验观察到B/LiH氢化过程中依次生成Li2B5H5、Li2B7H7、Li2B3H8中间产物，揭示了从表面到内部的逐步氢化过程，并发现了最初形成的LiBH4总是优先出现在Ni团簇附近，说明Ni不仅负责裂解氢气，还直接主导了硼的重新氢化 (图4)。研究工作提出了完整机理模型，为材料氢化优化调控提供了设计基础。
图4 Ni团簇修饰的B/LiH纳米复合材料的氢化反应机理
该研究创制的纳米-LiBH4@Ni复合材料同时具有优异的脱氢性能，其起始脱氢温度低至~120 °C，峰值脱氢温度降至286 °C，相对于商业LiBH4降低超过120 °C，在300 °C等温脱氢60分钟可释放~9 wt% H2，脱氢速率相对于商业LiBH4提升了40多倍。
上述工作提供了一种超细硼团簇和Ni纳米催化协同的材料设计新策略，首次实现了硼基储氢材料在室温条件下的可控氢化，并从理论和实验解析了室温氢化机理，使高容量硼氢化物储氢材料的实用化迈出了关键一步。
