传统化石燃料的开采强度远远超过了其自然再生能力，这使得可持续氢能源成为各种能源中的重要替代品[1]、[2]、[3]、[4]。就能量转换效率而言，氢具有120 MJ/kg的高质量能量密度，显著优于汽油和天然气等传统燃料[5]、[6]。此外，其燃烧产物仅为水，不会产生温室气体或氮/硫氧化物[7]、[8]、[9]。因此，国际能源署将氢视为实现碳中和的关键技术途径[10]。氢的储存和运输在产业链中面临重大挑战，对氢经济的整体成本和安全性有显著影响[11]。常见的氢储存方法包括气态、液态和固态储存[12]。其中，固态氢储存材料通过将H2分子分解为氢原子，由于其高储存能力和增强的安全性而被认为是可靠的选择[13]、[14]。
经典的固态氢储存合金包括Mg型、TiMn2型和TiFe型材料[15]、[16]、[17]。基于TiMn2的氢储存合金在接近室温的条件下具有氢吸收和脱附温度[18]、[19]，并且具有高度可调的平台压力[20]。然而，它们的实际应用受到相对较高的材料成本的限制。Mg基氢储存合金的氢储存容量高达7.6 wt.%[21]、[22]，但其工作温度过高（超过300-400℃），这阻碍了氢的脱附反应[23]、[24]、[25]。张等人分别通过化学方法和原子重构合成了Mg2Ni(Cu)合金[26]和Cu@MXene合金[27]，在光催化条件下实现了5.9 wt.%和6.1 wt.%的可逆氢储存容量，从而降低了与加热设备相关的应用成本[28]。另一方面，作为典型的固态氢储存材料，TiFe合金具有低成本[29]、高氢储存容量（体积密度为105 kg/m3，重量容量为1.9 wt.%）[30]、良好的循环稳定性[31]，以及在室温下的可逆氢吸收和脱附[32]。它被应用于潜艇燃料电池等领域[33]。
TiFe合金的一个主要缺点是它们对污染的抵抗力较差，并且容易形成钝化层，这阻碍了氢化反应[34]、[35]。以往关于提高TiFe合金氢储存性能的研究主要集中在元素替代上[15]，包括添加Zr[36]、V[37]、Co[38]、Cr[6]、过量的Ti[39]、[40]、[41]以及稀土元素如Y[42]和Pr[43]。早期研究中，Schlapbach等人[44]提出添加Mn会诱导次生相的形成，从而产生微裂纹并持续暴露新鲜表面。许多研究[45]、[46]表明，Mn促进形成的C14相优先与氢反应，形成“窗口”以促进氢原子的扩散，从而增强活化。Kwak等人[47]研究了退火时间对TiFe合金中C14相丰度的影响，发现晶界可以作为氢的扩散通道。Liu等人[48]比较了烧结和电弧熔炼的TiFe0.85Mn0.05合金，发现烧结合金中的氧集中在Ti4Fe2O1-x相中，而不是溶解在TiFe晶格中，这增强了可逆氢储存容量。与Mn类似，Jain等人[49]和Lv等人[50]的研究表明，添加Zr也促进了晶间相的形成，从而促进了活化。He等人[51]对含8 wt.% Zr的TiFe合金进行Ar+离子辐照以诱导缺陷形成，显著缩短了活化潜伏期并提高了氢储存容量。
然而，Zr掺杂促进TiFe合金活化过程的动力学机制尚不清楚，系统研究Zr如何影响相组成、晶格参数和微观结构以增强氢储存性能的工作还缺乏。为了解决这个问题，制备了一系列Ti1.1-xZrxFe0.8Mn0.2（x=0.05, 0.10, 0.15）合金，以研究Zr替代A位元素对其微观结构和氢储存性能的影响。微观结构分析显示，Zr在TiFe相中的溶解度有限，促进了C14型次生相的形成。由此产生的TiFe/C14界面有助于保持TiFe相的无氧化物表面。此外，理论计算表明，C14相向TiFe的电子转移有助于H2的解离，从而增强了氢储存容量。此外，溶解在TiFe相中的Zr量有限，降低了合金的平台压力，这归因于Zr-H键比Ti-H键更强，这一点通过理论分析得到了证实。这项工作有助于开发具有更高氢储存容量和改善室温氢吸收性能的Ti-Fe-Mn合金，为它们的实际应用在固态氢储存中提供了见解。
