A．空气中氮气、氧气和镁反应分别生成氮化镁、氧化镁，所以空气不能冷却镁蒸气，故A错误；
B．镁和氧气发生氧化还原反应生成氧化镁，所以氧气不能冷却镁蒸气，故B错误；
C．镁在二氧化碳中燃烧生成氧化镁和碳，所以二氧化碳气体不能冷却镁蒸气，故C错误；
D．氢气与镁蒸气不反应，所以氢气可以冷却镁蒸气，故D正确；
故选D．