2025年8月14日，太阳成集团tyc122cc朱艳丽团队在国际顶级期刊先进功能材料（Advanced Functional Materials, IF=19.0）发表题为“Highly Enhanced Energetic Kinetics and Reaction Mechanism Investigation of Hydrogenated Mg-Al Alloys”的研究论文（原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202515686）。
作为一种金属燃料，镁（Mg）因其低点火温度以及在燃烧过程中高辐射强度等特性，在深空探索、固体推进和烟火药剂等领域显示出巨大的应用潜力。然而，由于其相对较低的燃烧热（25.4 kJ g⁻¹）和反应活性，镁的进一步应用受到了限制。为了提高镁的反应动力学性能，加入具有高燃烧热值和高反应活性的元素是一种有效的策略。一方面，研究表明，将具有高燃烧热值的元素（如硼（B）和铝（Al），其热释放值分别为58.9 kJ g⁻¹和31.05 kJ g⁻¹）掺杂到镁中，利用Mg易气化的特点，诱发燃料颗粒的微爆炸效应，可以显著提升燃料的燃烧性能。另一方面，将锂（Li）、硅（Si/SiOx）、氢（H）等高活性元素与镁结合，通过高反应活性物质的快速反应降低点火温度可以显著改善Mg基燃料的燃烧性能。
本研究工作主要是结合高燃烧热和高反应性的双重改性策略，设计并制备了系列氢化Mg-Al合金。通过固态储氢技术将具有高燃烧热和高反应性的氢化镁引入镁铝合金中，实现了微米尺度下镁（Mg）、铝（Al）和镁氢化物的紧密结合。
核心内容表述：
1.Mg-Al合金氢化反应机理
结合微观形貌和物质组成的结果发现Mg-Al合金的氢化是一个由表及里的过程。在第一阶段，氢分子被物理吸附，解离成氢原子。在第二阶段，氢原子穿透表面，氢依次与颗粒内部固溶的Mg以及Al12Mg17和Al3Mg2这两种金属间化合物发生氢化反应。并且镁铝合金中较高的镁含量（不大于90%）和更丰富的冶金界面是提高氢化度的关键因素。
图1. 系列Mg-Al合金氢化前后物相变化及氢化反应机制示意图
2.Mg-Al合金及其氢化物的氧化机理
此外，氢化镁铝合金的氧化与镁铝合金原料不同，其氧化过程由MgH2在约300℃和440℃时的脱氢和氧化所触发，这使得燃料颗粒内部镁铝金属间化合物更加快速而充分的氧化，并将氧化温度降低约10-20℃。
图2. 典型镁铝合金及相应氢化物在缓慢氧化过程中的成分变化和氧化机制
3.Mg-Al合金氢化物在推进剂中的应用潜力及其燃烧机理
为进一步探究氢化镁铝合金在推进剂中的应用结合激光点火多光谱燃烧诊断技术发现由氢化镁铝合金与高氯酸铵（AP）组成的复合含能体系的燃烧火焰温度比镁铝合金高出200-400 ℃，这可归因于“燃烧-还原-燃烧”的正反馈燃烧增强机制，该机制促进了镁铝合金氢化物的燃烧动力学过程。因此，氢化镁铝合金在含能材料中作为高性能反应性燃料具有巨大的潜力。
图3. 系列Mg-Al合金及其氢化物的燃烧性能
根据普朗克定律和基尔霍夫定律，实际物体的单色绝对辐射强度的自然对数与温度成正比。如图4a~4f所示，通过多光谱测温法对样品的燃烧温度进行了量化。结果表明，当镁含量为50 wt.%和70 wt.%时，氢化后的Mg-Al合金比原料的燃烧火焰温度有着显著的提升。具体而言，随着镁含量的增加以及氢化程度的持续提高，火焰温度也随之升高。H-Mg70/Al30的峰值火焰温度约为2600 ℃，相较于Mg70/Al30，增加了400 ℃。更高的火焰温度增强了推进剂中燃料和氧化剂分子的动能，从而导致分子碰撞频率和能量增加，这有助于提高燃烧效率。因此，研究表明氢化镁铝合金在提高推进剂燃烧效率和比冲方面具有巨大潜力。
与点火时的气-固相反应不同，火焰内部主要发生复杂的气相反应。在燃烧过程中，分子质量较低的氢气比镁和铝具有更快的传播速率，并且优先与氧反应。这进一步解释了为什么Mg-Al合金氢化物的燃烧火焰比Mg-Al合金原料具有更高的火焰高度和更快的火焰前锋运动速率。从燃烧产物光谱可以推断出镁和铝在火焰区的反应过程，形成氢的“燃烧-还原-燃烧”循环，改变了镁直接被氧化为MgO的反应过程，构建了一个正反馈燃烧机制。
图4. 多光谱燃烧诊断技术揭示氢化镁铝合金的燃烧增强机制
【总结与展望】
本研究通过固态储氢技术成功制备了系列氢化Mg-Al合金，其氧化起始温度显著降低，反应活性显著提高。氢化机制研究表明，在制备过程中，氢依次与固溶体α-Mg、Al12Mg17和Al3Mg2反应生成MgH2。氢化程度取决于内部晶体相界面的丰富程度和镁含量。热分析表明，氢化Mg-Al合金的氧化由MgH2的分解和氧化所触发，这使得起始温度比原始镁铝合金提前10-20℃。与原始镁铝合金相比，氢化镁铝合金在反应速率、燃烧传播性能和火焰温度方面表现出显著提升。特别是H-Mg70/Al30合金，由于镁含量的增加使氢化程度呈指数增长，展现出最佳的性能表现。通过激光点火-多光谱燃烧诊断技术本研究提出了“燃烧-还原-燃烧”的正反馈燃烧增强机制，这是提高氢化镁铝合金燃烧性能的关键。因此，氢化镁铝合金在作为推进剂和其他含能材料中的高能燃料方面展现出巨大应用潜力，将有助于进一步推广氢化Mg-Al合金在航空航天、军事和能源领域的应用，为高性能推进剂和能量材料的发展提供新的思路和方法。
【图形摘要】
【作者简介】
本文第一作者为太阳成集团tyc122cc2023级硕士研究生张诗裕，第二作者为朱艳丽教授，通讯作者是赵婉君副研究员，122大阳城集团网站为唯一通讯单位。
【原文信息】
S.-Y. Zhang, Y.-L. Zhu, W.-J. Zhao, Z.-G. Liu, Z.-T Wei, W. Le, Q.-J Jiao, Highly Enhanced Energetic Kinetics and Reaction Mechanism Investigation of Hydrogenated Mg-Al Alloys, Adv. Func. Mater. 2025, 2515686.