氢能是清洁的优质能源,在其应用中,氢气储存技术仍存在许多问题亟需解决。金属镁因其具有储氢密度高、来源广泛和价格低廉等特点,成为了最有前景的储氢材料之一,然而,较差的吸氢动力学性能与较高的热力学稳定性限制了其应用。碳材料因其储氢密度大和不易受杂质气体影响等特点近年来引起了研究人员的极大兴趣。金属镁与碳材料单独储氢时的条件都相对苛刻,但将两者混合进行充氢球磨,则可同时改善金属镁和碳材料的储氢性能。本文通过实验表征和第一性原理计算,探究了镁碳在储氢过程中的耦合机制。利用无烟煤通过脱灰和碳化处理制得微晶碳,并通过机械球磨法制备镁碳复合储氢材料。借助扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)和傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)等仪器设备,对金属镁、微晶碳和镁碳复合储氢材料的形貌、结构以及储氢性能等性质进行分析。实验结果表明,金属镁粉储氢效率低,在420℃、2.0 MPa H2环境中前10 h几乎不储氢;微晶碳无法进行大量储氢,在360℃、2.0MPa H2环境中8h内储氢量为0wt%;氢气气氛下球磨可以使金属镁发生氢化反应,生成氢化镁,经过3 h球磨Mg的储氢量可以达到5.5 wt%,与此同时,微晶碳的储氢性能也得到了改善,材料中出现了大量C-H键。以上结果说明金属镁与微晶碳之间存在可以改善两者储氢性能的耦合机制。另外,通过球磨法制备的镁碳复合储氢材料的放氢表观活化能与块状氢化镁相比也有所降低,说明微晶碳的添加同时也改善了材料的放氢反应,降低了反应的活化能。为探究金属镁和微晶碳耦合储氢的机制,通过对金属镁和微晶碳结构的分析,借助第一性原理计算,研究了空位、掺杂和位错等缺陷对H2在金属镁和微晶碳模型上的吸附、解离和扩散等行为的影响。结果表明,空位缺陷的引入不利于H2在Mg(0001)晶面和graphite(0001)晶面的吸附,但对H2在两个晶面上的解离有不同程度的改善作用。空位缺陷也会对H的扩散产生影响,其中,H在空位缺陷Mg(0001)晶面的扩散所需克服能量位垒降为26.56 kJ/mol,而在空位缺陷graphite(0001)晶面的扩散所需克服的能量位垒则提高至294.54 kJ/mol。元素掺杂不利于H2在Mg(0001)晶面和graphite(0001)晶面的吸附,但可以改善H2的解离。晶面滑移形成的C掺杂Mg(0001)滑移晶面不利于H2的吸附,但也可以改善H2的解离,使H2解离能量位垒降低至92.73 kJ/mol。综合实验和模拟计算的分析结果,镁碳耦合储氢机制可描述为,微晶碳表面C原子脱落形成了空位缺陷结构,脱落的C原子又引发镁晶体结构的改变,使得金属镁中形成C掺杂结构,微晶碳和金属镁结构的改变使得两者的吸氢性能得到改善。与此同时,Mg原子的脱落使得金属镁中也形成了空位缺陷结构,脱落的Mg原子与微晶碳结合使得微晶碳中形成了 Mg元素掺杂结构,金属镁中的空位缺陷结构和微晶碳中的Mg元素掺杂结构令H原子由镁表面向微晶碳表面迁移的过程变得更加容易,改善了金属镁的放氢性能,并增加了微晶碳的吸氢量。