目前,日益严重的空气污染和化石燃料短缺使得发展可再生能源技术备受关注。氢作为地球上储量最丰富的元素,被认为是一种理想的清洁能源载体。如何安全、高效、经济地储存氢气是氢能实用化的关键瓶颈。MgH₂具有高的氢含量、良好的可逆性、储量丰富、成本低廉和环境友好性,是目前最有发展前途的储氢介质之一。然而,MgH₂的热稳定性强,反应能垒高,导致其放氢温度高,动力学缓慢,从而限制了它在车载储氢中的实际应用。为了改善MgH₂的吸放氢性能,本文重点通过制备不同形貌和组成的纳米Nb基催化剂,系统地研究了其对MgH₂吸放氢性能的影响,并探讨了相应的催化机理。首先,通过溶剂热法合成了Nb₂O₅纳米球壳（o-Nb₂O₅）,系统研究了其结构、形貌及其对MgH₂储氢性能的影响。结果显示,o-Nb₂O₅是直径5-10μm的空心球颗粒。发现添加少量的o-Nb₂O₅即可显著改善MgH₂的吸放氢性能,其中MgH₂-7 wt%o-Nb₂O₅样品的起始放氢温度为207°C,较原始MgH₂样品降低了93°C。在50 bar氢压下,完全脱氢的MgH₂-7 wt%o-Nb₂O₅样品从室温加热至190°C,可吸收约6.1 wt%的氢,表现出良好的可逆性能。热力学和动力学测试表明,MgH₂-7 wt%o-Nb₂O₅样品的放氢活化能为101±5 kJ mol^-1,与原始样品相比降低了27%,动力学性能得到明显改善,但焓变基本不变,并未影响其热力学性能。成分和结构表征发现,o-Nb₂O₅催化剂中的部分Nb₂O₅在球磨过程中被还原为NbO,并在脱氢过程中进一步反应,最终被还原成为单质Nb。原位生成的Nb晶体分布在MgH₂基底中,作为氢扩散的通道改善了体系的动力学性能,从而改善了MgH₂的脱氢性能。以六水合硝酸镍为镍源,采用溶胶-凝胶法制备了纳米NiNb₂O₆催化剂,研究了NiNb₂O₆的加入对MgH₂储氢行为的影响。结果表明,掺杂5 wt%NiNb₂O₆的MgH₂样品具有较好的储氢性能,能在215°C³15°C的温度范围内释放出6.95wt%的H₂,其起始放氢温度与结束放氢温度较未掺杂的MgH₂分别减少了85°C和45°C。完全脱氢产物在50 bar氢压下随温至160°C,完成加氢反应,但其吸氢量只有5.6 wt%H₂。样品的二次放氢起始温度在第一个吸放氢循环后进一步降低。理论研究显示,在首次吸放氢循环中,二价Ni最终还原为单质Ni,并与Mg反应结合生成Mg₂Ni,导致了MgH₂储氢容量的降低。而NiNb₂O₆催化剂中的Nb元素仅作为催化剂发挥作用。进一步研究了TiNb₂O₇催化剂的制备及其对MgH₂储氢行为的影响。MgH₂-7wt%TiNb₂O₇样品的起始放氢温度从原始MgH₂的300°C降至211°C,并在首次吸放氢循环后进一步降至177°C。在250°C时,经过活化的MgH₂-7 wt%TiNb₂O₇样品在10分钟内释放出约5.5 wt%的氢气。等温吸氢测试中,完全脱氢样品在200°C下,只需5 s即可迅速吸收5.2 wt%的氢气,表现出快速的加氢动力学。经过10次循环后,该体系的储氢容量仍有6.29 wt%,循环稳定性得到了显著改善。XRD和XPS分析表明,在首次吸放氢循环中,TiNb₂O₇催化剂被还原,产物中的催化活性物质包括TiO₂,Ti,NbO₂与NbO。多价态的Ti与Nb能更有效地促进镁与氢分子间的电荷转移,加速吸放氢反应的进行,从而导致MgH₂-7 wt%TiNb₂O₇样品的二次放氢性能得到显著改善。随后,以乙醇铌为铌源,三乙基胺为氮源,通过溶剂热法制备了一种蠕虫状的N-Nb₂O₅催化剂并系统研究了其对MgH₂吸放氢行为的催化作用。研究表明,N-Nb₂O₅对MgH₂具有显著的催化活性,经过活化的MgH₂-10 wt%N-Nb₂O₅样品在170°C时就开始放氢,比原始MgH₂降低了整整130°C。完全脱氢的样品在50 bar的氢压下随温吸氢至120°C即可吸氢6.3 wt%。该样品即使在70°C的条件下保温6小时也能完全氢化。XPS和TEM分析显示,样品活化后出现一种新的催化活性物质NbN_0.9O_0.1,该物质在后续循环中保持稳定。理论计算可知,吸附在MgH₂表面的Nb-N-O团簇不仅会造成MgH₂晶格的畸变,还改变了Mg和H的电荷分布,导致Mg-H键延长,从而削弱了Mg-H键。此外,DOS分析显示,N的存在还促进了Nb对催化活性的贡献,这是NbN_0.9O_0.1具有更高的催化活性的原因。最后,以石墨烯为载体,进一步制备了石墨烯负载的N-Nb₂O₅纳米棒催化剂,系统研究了石墨烯对其催化性能的影响。所制备的N-Nb₂O₅纳米棒的直径大约20-30 nm,长1-2μm。研究表明,N-Nb₂O₅@C改性后MgH₂的吸放氢温度显著降低。等温放氢测试显示,活化后的MgH₂-10 wt%N-Nb₂O₅@C在175°C的低温下也能放出超过5.0 wt%的氢气。而完全脱氢样品在室温下保温42 h能吸收超过6.0 wt%的氢气,几乎完全氢化。XPS测试显示该样品在第一个循环后同样生成了NbN_0.9O_0.1,并在后续循环过程中保持稳定。DFT计算和COOP分析表明,石墨烯负载的Nb-N-O团簇具有更高的催化活性,NbN_0.9O_0.1与石墨烯之间的协同作用使Mg-H键与H-H键的键长伸长,键强减弱,从而改善了体系的吸放氢性能。