韩国科学技术院JMST：2200 K 毫秒级热冲击构筑 rGO 包覆镁基储氢合金

　　氢能走向规模化，卡在储运这一环：高压气瓶与低温液化不仅体积密度有限，还伴随能耗与安全风险。固态储氢因此备受关注，镁基材料更凭借高重量容量、低成本和资源丰富被视为理想候选，但它有两个“老毛病”——吸放氢动力学迟缓、工作温度偏高，且极易被氧气和水汽侵蚀。一旦表面生成厚而致密的 MgO/Mg(OH)₂ 钝化层，氢分子既难解离也难向体相扩散，容量与速率同时塌陷。如何在提升动力学的同时让镁基合金抗得住氧化，成为其走向工程化的核心难题。

　　针对上述问题，韩国科学技术院（KAIST）与韩国材料科学研究院合作，采用闪蒸焦耳热（Flash Joule Heating, FJH）驱动的“自上而下”策略：直接以近共晶 Mg₀.₈₈Ni₀.₁₂（MgNi）块体合金与还原氧化石墨烯（rGO）为原料，在毫秒级热冲击中同步完成合金重结晶细化与 rGO 保形包覆，相关工作发表于 Journal of Materials Science & Technology。

毫秒级热冲击如何同时完成合金细化与 rGO 包覆

　　研究团队把感应熔炼得到的 MgNi 合金锭切成 0.1 mm 以下的薄片，与分散在异丙醇中的 rGO 经超声混合、干燥后压片重磨，再装入石英管夹在两根钨电极之间。腔体反复用高纯氮吹扫、抽至 0.01 mbar 后，由 60 mF 电容组施加 150 V 脉冲放电 200 ms。rGO 含量设为 10 wt.% 与 30 wt.%，样品记为 MgNi@rGO10 与 MgNi@rGO30。这里 rGO 身兼两职：既是调控电阻的导电介质，又是包覆合金的保护基体。

　　Fig. 2(a) 显示，样品温度在毫秒内升至 2200 K，又在约 200 ms 内回落，全程伴随可见光发射，说明加热均匀。峰值温度远高于 Mg（923 K）与 Ni（1728 K）的熔点，合金先快速熔化再重结晶，颗粒由数百微米降至数十微米乃至纳米级；极短高温与极快冷却还抑制了相分离，使近共晶的 Mg/Mg₂Ni 层片结构得以保留。

图 1｜FJH 驱动 rGO 包覆 MgNi 的合成示意：块体合金经切屑、与 rGO 混合后被毫秒级热冲击细化并包覆，形成兼顾快速吸放氢与抗氧化能力的复合材料。

图 2｜FJH 过程与结构表征：(a) 电压、电流与温度曲线，插图为放电前后样品照片；(b) XRD 图谱；(c) SEM 与 (d) TEM 图像，白色圆圈标出 rGO 上的 Mg₂Ni 纳米颗粒（插图比例尺 2 nm）。

结构与界面证据：Mg–C 化学键与超薄氧化层

　　XRD 给出第一重证据：MgNi bulk、MgNi/rGO10-(s) 与 MgNi@rGO10 均只出现 Mg 与 Mg₂Ni 衍射峰，未见 MgNi₂ 等富镍相，也没有晶态氧化物或碳化物，说明热冲击既没有造成明显相分离，也未造成大量 Mg 挥发损失。HR-TEM 在 rGO 表面观察到晶面间距 0.202 nm、对应 Mg₂Ni (203) 的纳米颗粒，它们有望成为吸氢活性位点，并在大颗粒合金与 rGO 之间架起氢传输通道。

　　XPS 进一步揭示界面本质：C 1s 谱中约 283.5 eV 的峰对应 Mg–C 键，说明 rGO 与合金之间是化学键合而非简单物理吸附；Mg 2p 谱中氧化态 Mg 信号增强、金属态 Mg 依然可辨，意味着 FJH 只带来有限的表面改性，氧化层被限制在极薄近表层。Raman 谱中 D 带与 G 带清晰可见，ID/IG 由原始 rGO 的 0.974 降至 rGO10 的 0.966、rGO30 的 0.915，表明 FJH 引发部分热还原、石墨化程度提高，sp² 碳比例上升也有利于吸氢。

图 5｜循环与表面化学：(a) XRD；(b–c) C 1s 与 (d) Mg 2p XPS 谱；(e) Raman 光谱；(f–g) 循环后 SEM 及 (h) HAADF-STEM 与元素分布。

吸放氢性能：200 秒达到七成容量

　　性能测试在 15 bar 氢压下进行，容量按 MgNi 含量归一以剥离 rGO 的“死重”。200 ℃ 下，MgNi@rGO10 在 200 s 内吸收约 3.0 wt.% 氢，1800 s 后达到约 3.8 wt.%；升至 300 ℃，200 s 内即吸氢 4.1 wt.%，相当于理论容量 5.7 wt.% 的约 72%。放氢同样受益：275 ℃ 下约 240 s 即可释放 90% 的储存氢。若按复合材料整体质量计算，rGO10 与 rGO30 的容量分别为 3.4 wt.% 与 2.4 wt.%，说明 rGO 用量需在动力学增益与容量损失之间权衡。

　　Friedman 法给出的表观活化能随反应度在 35–80 kJ mol⁻¹ 区间缓升，反映出动力学由形核—长大控制逐步转向扩散控制。rGO 的作用可拆成三层：作为物理骨架锚定熔融合金、抑制颗粒粗化；通过 Mg–C 界面促进电荷转移、降低氢解离与扩散势垒；并调控表面氧化的程度与形态。rGO30 颗粒更细、表面效应更强，活化能最低、动力学最快；MgNi@rGO10 则更多依靠扩散路径缩短与比表面积提升获益。

图 3｜吸放氢性能与环境稳定性：(a) 200 ℃ 吸氢与 (b) 275 ℃ 放氢动力学；(c) 湿度暴露后样品的吸氢动力学；(d) 吸氢表观活化能随反应度的变化。

环境稳定性：高温高湿 24 小时后仍保留 86% 容量

　　真正让这项工作区别于以往报道的，是苛刻环境下的稳定性。样品在 80 ℃、80% 相对湿度下暴露 24 h 后，MgNi@rGO10 HT 与 MgNi@rGO30 HT 分别保留 86% 与 82% 的初始容量，且都能在 260 s 内达到总容量的 70%，动力学几乎未见退化，已接近惰性气氛下高镍含量 Mg-Ni 合金的水平。对照组差距鲜明：仅暴露空气 6 h 的 MgNi bulk 在随后 80 h 内只吸收约 1 wt.% 氢，未经 FJH 处理的物理混合样 MgNi/rGO10-(p) 也只有约 2 wt.%。原因在于，缺少 rGO 保护时表面会生成晶态 MgO 与 Mg(OH)₂ 并堵死活性位，而 FJH 形成的保形 rGO 层充当 H₂O 与 O₂ 的屏障，只允许有限、可控的表面转化。30 次吸放氢循环后，三组样品均未见明显衰减。

热力学与循环稳定性：体相性质被完整保留

　　在 250–325 ℃ 四个温度下测得的 PCT 曲线显示，MgNi bulk 与 MgNi@rGO10 的 ΔH、ΔS 几乎重合：Mg 平台吸氢焓约 −71.9 与 −74.4 kJ mol⁻¹ H₂，解吸焓 74.8 与 75.6 kJ mol⁻¹ H₂，说明 FJH 基本没有改变体相热力学，与 XRD 结论一致。循环后结构依旧稳定：SEM 与 STEM-EDS 表明层片结构与 rGO 包覆层保持完整，Mg、Ni 分布均匀，没有明显相分离或严重团聚，说明 rGO 能够容纳吸放氢过程中的体积胀缩。湿度暴露后 XRD 仅出现 18° 与 38° 附近弱而宽的 MgO、Mg(OH)₂ 峰，属于受控的表面改性而非体相氧化。

图 4｜MgNi bulk 与 MgNi@rGO10 的 PCT 曲线与热力学参数：(a–d) 吸氢与放氢等温线，(e) 由 van’t Hoff 拟合得到的 ΔH 与 ΔS。

总结与展望

　　这项工作把“细化”与“包覆”压缩进一次毫秒级放电：FJH 使块体合金在重结晶的同时被 rGO 保形包覆，既保住了 Mg/Mg₂Ni 的体相结构与热力学性质，又同时提升了吸放氢动力学与环境稳定性，工艺简单、可扩展性强，为金属氢化物提供了一条表面与界面工程的新路线。

　　作者也坦承其边界：局部加热与包覆均匀性仍需精细控制，该方法难以直接改变体相热力学；Mg 挥发在纳米颗粒形成中的贡献，以及湿度诱导表面转变与吸氢动力学之间的定量关系，仍有待深入研究。对于需要在含氧、含湿工况下长期服役的储氢系统，这种多功能 rGO 界面值得持续跟进。

　　论文信息：Hyun Cho, Sua Kim, Byeong-Chan Suh, Young Min Kim, Eun Seon Cho,Flash Joule heating-driven reduced graphene oxide encapsulation of Mg-based alloys for high-performance and stable hydrogen storage,Journal of Materials Science & Technology,2026,ISSN 1005-0302,
https://doi.org/10.1016/j.jmst.2026.10.003.

来源：焦耳热超快合成材料