随着全球工业生产力的增长，对化石燃料的需求持续增加。这一趋势导致传统能源资源的过度使用，并对全球生态环境造成了严重破坏[1,2]。开发和利用清洁能源是解决这些问题的有效途径，包括风能、太阳能和氢能。然而，风能和太阳能的应用在很大程度上依赖于适宜的地理位置和特定的气候条件，因此难以在大规模上开发和应用[[3], [4], [5], [6], [7]]。尽管核能受外部环境因素的影响较小，但仍存在一些关键问题限制了其发展，包括高成本、安全问题以及核废料的长期管理[8,9]。氢能具有多种优势，如应用范围广、能量密度高、原材料丰富且零碳排放。因此，它被广泛认为在解决能源危机和环境污染方面具有巨大潜力[1,[10], [11], [12]]。目前，许多国家和地区已经出台了一系列政策来促进氢能的发展，这进一步显示了氢能的强大发展潜力[[13], [14], [15]]。
氢能凭借其卓越的性能已在许多领域得到应用，如图1(a)所示。然而，由于某些挑战，其发展目前仍受到限制[[16], [17], [18]]。在标准条件下（1个大气压和-273 K），氢的沸点极低（20 K），其气体密度仅为8.988 × 10^-2 kg/m^3。这使得传统的储存和运输方法变得非常困难。此外，氢的重量能量密度（143 MJ/kg）远高于天然气（53.6 MJ/kg），这给储存、运输和安全带来了额外的挑战[19,20]。在欧洲，车载氢储存的目标重量效率设定为系统中储存氢的4.8 wt%，而在美国，这一目标高达6.5 wt%。因此，改进氢储存方法和提高储存容量是氢能进一步发展的关键途径[[21], [22], [23], [24]]。
根据储存过程中氢的物理状态，氢储存方法可以分为三种主要类型：压缩气体氢、液态氢储存和固态氢储存[25,26]。液态氢储存可以根据吸附机制进一步分为物理液态相储存和化学液态相储存。固态氢储存可以根据不同的储存机制分为金属氢化物、复杂氢化物以及碳基和多孔材料，如图1(b)所示。在这些方法中，压缩气体氢储存和物理液态相氢储存主要依赖于宏观物理条件的调节；而化学液态相氢储存和固态氢储存则涉及多尺度耦合过程，包括氢与材料之间的微观相互作用、介观结构调制以及宏观热调节。目前，压缩气体氢储存是技术最成熟且应用最广泛的方法。然而，这种方法依赖于高压氢储罐，这些储罐需要具有非常高机械强度的材料，因此这类系统的氢储存容量往往无法达到预期目标[27]。
基于这一背景，本文总结了目前常用的主要氢储存方法，并比较了它们的储存容量。研究表明，探索具有更高储存容量的理想载体已成为一个日益重要的课题。从多尺度研究的角度出发，本文系统地回顾了基于氢存在形式的传统氢储存方法，具体涵盖了原子尺度上的氢吸附和扩散、纳米尺度上的结构设计和界面效应、微观尺度上的晶粒演变、介观尺度上的结构组织与相分布，以及最终材料在宏观尺度上的储存性能。在此基础上，本文还回顾了新兴方法（如非晶氢储存合金、氢诱导非晶化以及利用材料建模设计氢储存系统）的最新进展。这些新方向为提高氢储存容量提供了新的机会。
