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近日，约炮软件-免费约炮软件 高压与超硬材料全国重点实验室邹勃教授、隋永明教授团队联合吉林大学段德芳教授和西安交通大学刘刚教授，在温和条件制备功能金属氢化物及氢转化研究方面取得重要进展。相关成果以“Hydrogen-Trapping Cage Engineering Enables Mild-Condition, Direct Proton Conversion to Functional Metal Hydrides”为题发表在期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）。

图1. 酸介质构筑氢捕获笼用于氢化物合成

初中化学的经典理论表明，多数活泼金属可与酸发生置换反应，生成盐并释放氢气。这一基础反应规律，也塑造了学界长期以来的固有认知：酸中的质子与金属发生反应后，通常只会以氢气的形式逸出体系，并不会嵌入金属晶格、生成金属氢化物。基于此，邹勃教授团队提出了一个看似朴素、却极具研究挑战性的科学问题：若将该反应置于密闭反应釜体系中，反应析出的氢气能否进一步与金属发生二次反应，最终生成金属氢化物？

团队创新性突破传统认知，将原本诱发材料失效的酸腐蚀与氢脆效应转化为全新的合成手段，在金属基体内部原位构筑“氢捕获笼”（hydrogen-trapping cage，HTC）。HTC并非实体包覆结构，而是由贯穿型微裂纹、高密度位错、空位团簇及内部孔隙共同构筑的多级缺陷网络。该缺陷体系不仅为氢原子渗入金属内部提供了高效传输通道，还可显著提升缺陷区域的氢驻留浓度，有效驱动氢原子嵌入金属晶格，最终实现金属氢化物的原位生成。

针对不同金属的反应活性差异与表面结构特征，团队针对性构建了两套适配的酸介导合成体系。针对反应活性高、易发生过度溶解的金属体系，采用油酸等有机弱酸体系，成功制备出LiH、NaH、MgH₂、ScH₂、YH₂、LaH₂、LaH_2.3、CeH₂、SmH₂、LuH₂等氢化物；针对表面易生成致密钝化膜的ⅣB、ⅤB族过渡金属，则选用硫酸反应体系，并根据钝化层生长特性引入氟离子辅助刻蚀策略，有效破除钝化屏障，成功合成TiH₂、δ-ZrH_1.6、ε-ZrH₂、HfH_1.7、HfH₂、VH_0.8、VH₂、NbH、NbH₂、Ta₂H、TaH等系列氢化物。基于上述策略，团队成功构筑了涵盖碱金属、碱土金属、La系稀土金属（选取La、Ce、Sm、Lu四种典型稀土金属）及过渡金属的21种高纯度金属氢化物体系，充分验证了该合成方法的广谱适用性，目前该技术仅适用于金属箔基材料体系。

传统金属氢化反应需依托高温或高压条件方可实现，而本研究开发的酸介导合成路径具备显著优势：酸体系中的氢离子可直接在金属表面得电子，生成吸附态原子氢（H•）。原子氢尺寸极小，可快速渗入金属内部并占据晶格间隙位点，随着氢持续富集，金属晶格发生畸变、产生局部内应力，进而形成局域等效压强ΔP_eq。该压强源于氢致晶格畸变的化学效应，属于“化学压强”。

团队通过量化对比等效压强|ΔP_eq|与高压下金属与氢气反应所需的物理临界压强ΔP_ph，结合氢化物常压热力学稳定性特征，建立了可精准判定氢化物成相与留存特性的热力学判据。具体判定规律为：当|ΔP_eq |＜ΔP_ph时，金属局部应力无法突破氢化物成相势垒，无法生成氢化物；当|ΔP_eq |＞ΔP_ph，但目标氢化物常压下热力学不稳定时，体系虽可短暂生成氢化物，但会随局部应力释放快速脱氢分解，难以稳定留存；仅当|ΔP_eq |＞ΔP_ph且目标氢化物具备良好常压热力学稳定性时，氢化物可稳定成相并长期留存。

基于经典化学理论，碱金属Li、Na在酸性体系中仅会发生剧烈析氢反应，无法生成金属氢化物。但本研究热力学判据预测，LiH可实现稳定合成（其成相临界压强ΔP_ph仅为0.36 GPa，而体系等效化学压强ΔP_eq可达3.76 GPa）。依托该理论预测，团队开展针对性验证实验，最终成功制备出LiH与NaH两种碱金属氢化物。最活泼碱金属氢化物的成功合成，充分佐证了HTC合成策略的优异普适性。

表1. 不同金属氢化物的ΔPeq 与 ΔPph.

为进一步挖掘该方法制备氢化物的应用价值，团队将所得HTC-TiH₂应用于电催化硝酸根还原制氨体系。在−0.7 V（相对于可逆氢电极）工况下，其电流密度可达1.07 A·cm^-2，分别为纯钛基体与传统工艺制备TiH₂的2.8倍、2倍。同位素示踪实验证实，HTC缺陷结构可有效促进晶格氢与溶液质子的动态交换，显著提升氢物种迁移效率。这表明氢脆诱导的多级缺陷结构，不仅是金属氢化物原位合成的核心载体，还可赋予材料优异的电化学功能特性。

本研究建立了通用热力学判据|ΔP_eq|＞ΔP_ph，实现了金属-氢体系两大核心行为——氢化物可控合成与金属氢脆失效的统一阐释，具体判定规则如下：

1. |ΔP_eq |＞ΔP_ph且目标氢化物常压稳定，可在温和条件下直接合成目标氢化物；

2. |ΔP_eq |＞ΔP_ph且目标氢化物常压不稳定，金属体系将诱发氢脆失效；

3. |ΔP_eq |＜ΔP_ph，体系无氢脆现象发生；

4. |ΔP_eq |＞ΔP_ph、目标氢化物常压稳定且ΔP_ph＜1 GPa，该类金属可作为氢脆牺牲材料，主动吸附、固定体系氢原子，有效保护核心结构材料免受氢损伤。

该理论框架首次将金属氢化物合成、氢脆失效防护两大研究方向统一至同一热力学判据体系，打破了传统研究的割裂认知，为氢能高效储运、金属结构材料氢安全防护提供了全新、通用的理论设计准则与技术支撑。

本工作由刘闯、陈安康两届博士接力开展，从 2017 年至今历时十年，实现重要认知突破。研究利用金属与酸的反应，设计合成 21 种高纯度金属氢化物，据此提出四条推论，为氢脆研究提供全新思路。同时提出利用高压科学思想解析常压合成机制的原创观点，拓宽了高压领域的研究视野，达成了高压科学服务于常压体系研究的目标。

约炮软件-免费约炮软件 高压与超硬全国重点实验室博士生陈安康为第一作者。共同第一作者为约炮软件-免费约炮软件 高压与超硬材料全国重点实验室刘杰文、霍子豪和刘闯。隋永明教授、段德芳教授、西安交通大学刘刚教授和邹勃教授为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划项目（2022YFA1402300）、国家自然科学基金项目（22131006、12274169）及安徽高校功能材料与信息器件创新团队项目（2024AH010024）的资助，并获得中国散裂中子源多物理谱仪和上海光源BL15U1线站的支持。

论文全文链接：

10.1002/anie.9905804