低场核磁在 MgH₂ 储氢材料催化性能评价中的应用

01. 应用背景

氢化镁（MgH₂）因其 7.6 wt% 的高理论储氢容量、原料储量丰富、成本低廉及良好的可逆吸放氢特性，被视为最具前景的固态储氢材料之一。
然而，MgH₂ 实际应用长期受两大瓶颈制约：一是吸放氢动力学缓慢，二是 Mg-H 键热力学稳定性高，导致工作温度偏高、反应时间过长，难以满足车载及固定式储氢系统的需求。为突破上述瓶颈，研究者通过催化剂掺杂改善 MgH₂ 的储氢性能。
本案例中，采用 PVDF 辅助气固相刻蚀法制备了层状 MnB–MBene–AlF₃ 催化剂，并将其以 10 wt% 的比例与 MgH₂ 球磨复合。该催化剂可使 MgH₂ 起始放氢温度降低超过 120 ℃，放氢活化能降至 94.86 kJ/mol，20 次循环后容量保持率达 98.5%。
在催化剂改性效果评价中，传统的程序升温脱附（TPD）与等温吸放氢测试仅能获取宏观热力学与动力学参数，难以直接揭示 H 质子在晶格中的微观运动状态与键合强弱。低场核磁共振（LF-NMR）作为一种无损、快速的表征技术，可通过检测 ¹H 核的弛豫行为直接反映 H 原子的迁移能力与结合状态，为催化机理研究提供分子层面的直接证据。
本案例整理自江苏大学张刘挺教授团队发表于 Rare Metals 期刊的研究成果，篇名为 “Chemical Removal of Al From Layered Mn₂AlB₂: Toward 2D-MBene and Its Application to MgH₂ Hydrogen Storage”。

02. 低场核磁测试方案

测试设备

本案例采用苏州纽迈 VTMR20-010V-I 低场核磁共振谱仪。

序列选择依据

MgH₂为离子型氢化物，H被束缚于刚性晶格中，强 ¹H–¹H 同核偶极相互作用导致 T₂弛豫极快（微秒量级）。常规自旋回波（CPMG）序列在仪器死时间内信号已严重衰减，无法有效采集短弛豫组分。因此本测试全程采用 Magic–SE 固体回波脉冲序列，通过脉冲组合使磁化矢量在死时间之后重新汇聚形成回波，确保对固相H短弛豫组分的准确采集。

测试原理

低场核磁基于核磁共振现象，通过施加 0.5 T 弱磁场激发样品中氢核（¹H）的自旋态变化。氢核吸收特定频率射频脉冲能量后发生能级跃迁，并在弛豫过程中释放能量。
通过分析弛豫信号的强度与衰减时间，可获得样品中 H 原子的动态特性。其核心判据为：由于仪器存在死时间（射频脉冲后线圈无法立即接收信号的时间段），弛豫极快的组分会在此期间发生信号丢失，弛豫信号的强度与衰减速率可直接反映 H 原子的动态特性：相同质量下信号强度越大、衰减越慢，表明 H 质子在晶格中的迁移率越高，也就越容易脱离晶格形成 H₂。

对比样品

· 纯 MgH₂（球磨处理，作为对照组）
· MgH₂ + 10 wt% MAB–PVDF 复合材料（催化剂改性组）

03. 测试结果与分析

信号强度对比

如图 I 所示，MgH₂ + 10 wt% MAB–PVDF 复合材料的低场核磁信号强度明显高于纯 MgH₂。这表明在相同质量条件下，复合材料体系中的 H 质子具有更高的可检测性，反映出 H 原子在晶格中的运动更为活跃，受束缚程度更低。

信号衰减速率对比

从衰减行为来看，复合材料信号衰减至零所需的时间更长，整体衰减速率显著慢于纯 MgH₂。将纵轴归一化后（图 J），两者衰减速率的差异更为直观：复合材料的归一化信号曲线始终位于纯 MgH₂ 上方，证实催化剂的引入有效延缓了 ¹H 弛豫信号的衰减。

机理分析

信号强度更高、衰减更慢的实验结果一致表明：MnB–MBene–AlF₃ 催化剂的加入弱化了 Mg-H 键，增强了 H 质子在 MgH₂ 晶格中的迁移能力，使 H 更易脱附并形成 H₂。这一微观结论与宏观测试中复合材料起始放氢温度降低 120 ℃ 以上、放氢活化能降至 94.86 kJ/mol 的结果完全吻合。

值得注意的是，复合材料中含有的铁磁性 MnB 相理论上会因磁展宽效应略微缩短绝对弛豫时间。但实测结果却呈现相反趋势——信号衰减更慢，这一”反向证据”更加有力地证实了 Mg-H 键弱化与 H 迁移率增强的真实效应，排除了铁磁干扰导致假阳性的可能。

04. 应用价值

无损快速评价

低场核磁无需破坏样品、测试流程简便，可在储氢材料研发阶段实现催化剂配方的快速筛选与性能预判。

微观机理佐证

与 TPD、等温吸放氢等宏观测试形成互补，从 H 质子迁移与键合强弱的微观角度为催化机理提供直接证据。

适用性广泛

Magic–SE 序列可有效采集短弛豫组分，适用于 MgH₂、金属氢化物、配位氢化物等多种固态储氢体系的弛豫表征。