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镁基材料具有高的储氢和储能密度、吸放氢可逆性好、资源丰富、价格低廉和环境友好等优点，是有良好应用前景的一类储氢、储热和储能材料。但是其过高的吸放氢温度和制备工艺存在诸多不足等问题严重地限制了其实际应用，同时，镁基材料缺乏基础储氢理论的重大突破使得科学家在改善其性能的道路上步履维艰。本文绪论部分首先综述氢能经济、金属氢化物的发展历史，继而分析镁基储氢材料的研究现状，重点指出其存在的主要问题以及应对的方法。在本博士论文研究中，我们提出用原位纳米化和金属玻璃来改善储氢性能等两条研究思路。在制备工艺上，重点开发易于工业化的方法制备纳米晶合金和金属玻璃。在基础研究上着重其微观结构、储氢性能和储氢机理。一方面，改善镁基材料的储氢性能，阐明其微观机理，也为其大规模应用提供新型高效的制备途径；另一方面，通过研究金属玻璃的储氢性能为储氢材料领域开发一条新颖的道路，并对氢能源相关器件和材料、非晶态材料的微观结构和物理性质等研究起到一定的理论支撑作用。本文第二章在传统的Mg3LaNi0.1合金的基础上，通过快速凝固处理改善了感应熔炼造成的晶粒粗大和不均匀性并研究了其储氢性能提升的微观机理。快速凝固处理可以显著地提高镁基合金的储氢动力学性能、降低吸放氢温度，并提高材料的可逆储氢量。快淬Mg3LaNi0.1合金的储氢量达到3.1wt.%，脱氢起始温度低至224oC。快淬处理之后合金晶粒得到细化，同时均匀性得到有效提升，进而使得氢化反应获得的氢化物的均匀性得到改善，纳米结构的LaH3和Mg2NiH4催化剂弥散分布也有利于MgH2的吸放氢反应。另一方面，我们还对Mg-Ce-Ni体系的玻璃形成范围(GFR)进行研究，借此找到含镁量最高的非晶成分Mg90Ce5Ni5，并对比研究其晶态和非晶态合金的储氢性能以及其微观机理。结果表明镁基材料体系的成分设计对改善其储氢性能有着重要作用，本文研究思路对镁基储氢材料的成分设计有一定的指引作用。本文第三章研究了活化工艺对镁基快淬合金的微观结构和储氢性能的影响，指出较高的氢压力和较低的活化温度有利于从非晶合金转变为晶粒细小的纳米氢化物复合材料，简单地通过控制活化工艺可以获得晶粒尺寸约10nm的氢化物复合物，显著地提高其动力学性能，研究结果为提高镁基材料的储氢性能提供了一条简单、高效的途径。另一方面我们还研究了镁基纳米复合氢化物材料在吸放氢循环过程中的微观结构和储氢性能演变，指出了在吸放氢循环过程中材料的晶粒、颗粒尺寸逐渐增大而导致材料无法得到热力学层面的改性，对于镁基储氢材料的实际应用中有一定的指导意义。本文第四章将Mg-Ce-Ni非晶合金作为前驱体制备纳米MgH2-Mg2NiH4-CeH2.73复合物，在此基础上通过氧化处理的方法原位合成纳米MgH2-Mg2NiH4-CeH2.73/CeO2复合物。通过HRTEM、EDS和FFT等证明CeH2.73/CeO2是具有立方对立方共生结构的纳米颗粒，发现纳米CeH2.73/CeO2共生相可以显著地提高MgH2的储氢性能，当CeH2.73和CeO2的摩尔比为1:1的情况下对MgH2脱氢的催化效果最好，MgH2的脱氢温度降低了~210oC。通过原位HRTEM观察和第一性原理计算等阐明了纳米CeH2.73/CeO2共生相对MgH2脱氢性能提升的催化机理，指出了CeH2.73/CeO2界面处的自发脱氢效应是催化效应的主要原因，纳米CeH2.73/CeO2共生相是一类新型的―氢泵‖。本文第五章研究了一系列镁基金属玻璃的储氢性能。在室温下，镁基非晶结构与储氢量有密切关系，非晶含量越高越有利于氢的存储，非晶态的Mg90Ce5Ni5合金吸氢量约为晶态结构的两倍。在较高温度下(但低于晶化温度Tx)镁基金属玻璃可以大量吸氢接近5wt.%，比起同成分的晶态材料储氢量具有明显优势，吸氢之后金属玻璃转变为金属玻璃氢化物，Raman光谱表明镁金属原子对随着吸氢量增大而变得越来越有序，AFM和球差矫正HRTEM直接观察了吸氢前后金属玻璃的原子结构转变，XPS表明生成的金属玻璃氢化物为介于晶态Mg和MgH2的中间状态，通过对脱氢过程观察和理论计算模拟等方法研究了氢在金属玻璃中的占位。另一方面，我们还通过成分和结构调控、尺寸降低和添加催化剂的方法改善镁基金属玻璃的储氢性能，将镁基金属玻璃的起始脱氢温度降低至约150oC。研究结果表明镁基金属玻璃是一类新型的氢能材料，在氢相关领域有着广阔的应用潜能。