晨霧輕輕覆在鋸齒狀的海岸線上，金屬管道穿過布滿鹽霜的閥門，沿著海岸線蜿蜒生長。2024年，日本德山與Biocoke Lab兩家公司聯(lián)合揭曉了全球首條氫化鎂量產(chǎn)產(chǎn)線的面紗——

這種在常溫常壓下靜默封存氫原子的金屬氫化物，能夠以超越高壓氣氫近3倍的儲氫密度將氫儲存起來，且其水解氫的過程無需低溫深冷等流程。

巨輪鳴笛啟航，集裝箱壘若山巒，劈波斬浪漸行漸遠(yuǎn)。也是在2024年，全球首例噸級鎂基固態(tài)儲氫罐從我國上海外高橋港出發(fā)——

這個看似普普通通的集裝箱，實則裝載著1噸氫氣，運(yùn)輸成本僅為傳統(tǒng)高壓氣態(tài)儲氫的1/3。當(dāng)它安全地抵達(dá)馬來西亞時，也標(biāo)志著固態(tài)儲氫全球化的首航圓滿完成。

悄然之間，除了氣態(tài)、液態(tài)兩種形態(tài)之外，以氫化鎂為代表的固態(tài)儲氫材料，正在成為解決氫工業(yè)儲存運(yùn)輸難題的一把“關(guān)鍵鑰匙”，為高效利用氫能源解鎖了更大空間，催生了更多想象。

那么，何為固態(tài)儲氫材料?它有哪些特性與優(yōu)點?未來應(yīng)用前景如何?請看本期解讀。

固態(tài)儲氫技術(shù)：解鎖氫能“關(guān)鍵鑰匙”

■肖青松 解子勛 張云帆

氫元素的“定居”史

氫，是這個世界上最輕盈的元素。氫氣，也是世界上密度最小的氣體——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，氫氣密度僅為空氣的1/14。

1立方米常溫常壓的氫氣質(zhì)量僅僅為0.0899千克，卻蘊(yùn)含著巨大的能量——同等質(zhì)量下，1克氫氣提供的能量相當(dāng)于汽油的3倍、煤炭的5倍，是自然界中能量密度最高的燃料。

氫還有一個重要的性質(zhì)——當(dāng)氫與氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時，唯一的產(chǎn)物是水分子。這一優(yōu)越特性使氫成為真正實現(xiàn)“零碳排、純清潔”的理想能源，堪稱零碳能源中的“終極解”之一。

氫，正以巨大的能量潛力重塑人類的能源版圖。

在航天領(lǐng)域，液氫與液氧組合的火箭發(fā)動機(jī)曾推動阿波羅飛船登陸月球，“液氫與液氧的組合”至今仍是化學(xué)推進(jìn)劑的巔峰之作。全球每年消耗的氫氣中，超過半數(shù)被用于合成氨、煉油和電子制造，對人類社會發(fā)揮著重要作用。

在交通領(lǐng)域，氫燃料電池能夠助力汽車新動能;在工業(yè)脫碳領(lǐng)域，鋼鐵、化工等“高碳大戶”正探索用綠氫替代煤炭和天然氣;在儲能領(lǐng)域，氫能夠?qū)L(fēng)能、太陽能等間歇性可再生能源轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的化學(xué)能……

然而，我們看到，這樣的理想能源面臨著巨大的儲運(yùn)難題。在常溫常壓狀態(tài)下，儲存1噸氫氣需占據(jù)1.1萬立方米以上的空間，這相當(dāng)于5個標(biāo)準(zhǔn)游泳池的容積總和，大規(guī)模運(yùn)輸和存儲氫氣的難度可想而知。

為突破體積限制，工業(yè)界曾長期采用兩種儲運(yùn)方式：高壓氣態(tài)儲氫和低溫液態(tài)儲氫。

高壓氣態(tài)儲氫利用高壓，將氫氣壓縮到鋼瓶等耐高壓的容器里。這種方式具備結(jié)構(gòu)簡單、壓縮氫氣制備能耗低、充裝和排放速度快等優(yōu)點。不過，其儲氫量較低，且對高壓儲氫罐存在較高的技術(shù)要求。

以卡車運(yùn)輸為例，高壓氣態(tài)儲氫的方式主要依靠運(yùn)輸人員將氫氣加壓至數(shù)百倍大氣壓后，儲存到特制鋼瓶中，而一輛載重40噸的卡車能夠運(yùn)輸?shù)臍錃庵亓客坏?噸，這大大提高了運(yùn)輸成本。

低溫液態(tài)儲氫是將氫氣壓縮后，冷卻至-253℃使其變?yōu)橐簹洌Υ嬖诘蜏亟^熱的真空容器中。這種方式的儲運(yùn)量更大、純度高、占地更小。但是，液化1千克的氫氣需要耗電4至10千瓦，且需要特殊的容器來儲存液氫。

此外，“氫脆”現(xiàn)象也是個棘手的難題。極小的氫分子滲入傳統(tǒng)容器后，會顯著削弱容器的材料力學(xué)性能。氫原子在金屬內(nèi)部聚集，會在較小范圍內(nèi)形成應(yīng)力集中，導(dǎo)致容器產(chǎn)生晶格畸變和微裂紋，帶來的安全隱患不容小覷。

盡管如此，科學(xué)家們從沒放棄過高效利用這種綠色燃料的夢想。自200多年前英國化學(xué)家卡文迪許首次分離出氫氣，人們就開始了對氫氣儲運(yùn)難題的攻關(guān)。不過，這種攻關(guān)長期局限于傳統(tǒng)手段，沒有突破氣態(tài)儲氫和液態(tài)儲氫的“桎梏”。

轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)在1968年。這一年，美國布魯克海文國家實驗室的科學(xué)家偶然合成了鎳鎂合金。這種灰黑色粉末如同氫原子的“捕手”，能通過金屬晶格固定氫原子，在常溫下實現(xiàn)固態(tài)儲氫。鎳鎂合金儲氫密度達(dá)64kg/m3，徹底顛覆了儲氫必須依賴高壓、低溫等條件的傳統(tǒng)認(rèn)知。

1970年，荷蘭菲利浦實驗室的研究成果表明，鑭鎳合金可以實現(xiàn)在室溫下快速吸放氫，為固態(tài)儲氫奠定了工程化基礎(chǔ)。

時間的車輪駛?cè)?1世紀(jì)，氫能的儲存、運(yùn)輸問題愈加凸顯，成為制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，也成為催生全新材料體系的動力。伴隨著氫能逐漸成為全球新的競爭焦點、各國培育新興產(chǎn)業(yè)的重要方向、推動綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要抓手，固態(tài)儲氫技術(shù)獲得了前所未有的快速發(fā)展，開始大踏步地走進(jìn)人們的視野。

材料科學(xué)引領(lǐng)氫能儲運(yùn)新航向

按照制取工藝碳排放程度的不同，氫氣產(chǎn)品可以分為灰氫、藍(lán)氫、綠氫三種。

綠氫是指通過可再生能源驅(qū)動生產(chǎn)出的氫氣，制備過程碳排放為零，是清潔能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵角色之一。

基于材料科學(xué)的發(fā)展，固態(tài)儲氫技術(shù)打開了氫能儲運(yùn)的全新維度。這種將氫原子固定于金屬晶格、化學(xué)分子或多孔材料中的創(chuàng)新方案，賦予氫能儲運(yùn)高密度、高安全、高純度的核心特質(zhì)，讓綠氫從實驗室走向現(xiàn)實場景成為可能。

我國上海交通大學(xué)的研發(fā)團(tuán)隊就將鎂原子與氫原子巧妙結(jié)合，如同為氫氣打造了一個微觀的“晶格牢籠”，最終形成穩(wěn)定的儲氫化合物。該材料的單位體積儲氫密度高達(dá)110kg/m3，意味著1立方米的空間就能儲存1200立方米氣態(tài)氫的能量。

日本Biocoke Lab公司也先后開發(fā)出具備儲氫能力高的鎂氫塊、為小型電動車儲存動力的鎂氫儲存筒，并在2024年與德山公司宣布量產(chǎn)氫化鎂。

當(dāng)氫能走進(jìn)工業(yè)場景，安全性成為首要考量。我國國家稀土功能材料創(chuàng)新中心在內(nèi)蒙古礦區(qū)交出了一份亮眼答卷：他們開發(fā)的稀土鎳基儲氫合金，將氫原子緊緊鎖在金屬晶格中，形成化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的固態(tài)材料。應(yīng)用該技術(shù)的氫燃料叉車徹底告別了高壓鋼瓶的隱患，儲氫量也比傳統(tǒng)方案提升2倍。這些“鋼鐵搬運(yùn)工”穿梭在礦區(qū)，不再需要工作人員小心翼翼地防爆。憑借固態(tài)儲氫的穩(wěn)定特性，氫燃料叉車成為高危場景中的可靠伙伴。

高效且穩(wěn)定的特性是儲氫材料具備工業(yè)競爭力的前提。2024年，黃浦江畔的一個實驗室里，某企業(yè)研發(fā)的納米碳鎂基固態(tài)儲氫材料通過了中國工業(yè)氣體工業(yè)協(xié)會的鑒定。這種由鎂納米粒子與碳納米管復(fù)合而成的固態(tài)儲氫材料，在常溫低壓環(huán)境下，可以在擁有高儲氫密度的同時，實現(xiàn)高效吸氫放氫，且自耗量低于百分之一。

在成本方面，大連一家公司的百噸級氫化鎂產(chǎn)線通過實現(xiàn)氫化鎂的高效化、連續(xù)化、數(shù)字化生產(chǎn)，有效降低了生產(chǎn)成本，是儲氫材料規(guī)模化生產(chǎn)的有益嘗試。

當(dāng)然，固態(tài)儲氫技術(shù)仍有發(fā)展的空間。目前，多數(shù)固態(tài)儲氫材料仍需200~300℃的高溫才能實現(xiàn)高效釋氫，離不開額外的加熱系統(tǒng);工業(yè)氫氣中的微量雜質(zhì)也可能影響材料性能;此外，不同技術(shù)路線的儲氫罐接口各異，需要全球共同制定標(biāo)準(zhǔn)才能兼容。

隨著全球標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程的加速，兼容鎂基、稀土基等多體系“通用型儲氫接口”或許會在不久的將來成為現(xiàn)實，材料科學(xué)與工程學(xué)樹狀圖上正交錯萌發(fā)著新的枝丫。

固態(tài)儲氫前景廣闊

在綠色生態(tài)轉(zhuǎn)型的大背景下，全球各地針對固態(tài)氫能的政策舉措相繼出臺，為技術(shù)迭代、產(chǎn)業(yè)發(fā)展鋪平了道路。

在歐洲，政策推動更強(qiáng)調(diào)跨國協(xié)同與產(chǎn)業(yè)鏈整合。

歐盟《氫能戰(zhàn)略》設(shè)定了雄心勃勃的目標(biāo)：2030年建成40吉瓦綠氫電解槽產(chǎn)能，并打造橫跨北海與波羅的海的“氫能走廊”，推動固態(tài)儲氫技術(shù)等在跨國能源網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。

在亞洲，日本的政策扶持更具針對性。其《基本氫能戰(zhàn)略》明確對低碳?xì)涮峁╅L達(dá)15年的補(bǔ)貼，并特別設(shè)立“固態(tài)儲氫創(chuàng)新基金”，加速氫化鎂等材料的商業(yè)化進(jìn)程。

回到中國，為加快綠色低碳能源布局，國家發(fā)改委將固態(tài)儲氫納入《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃》，明確“十四五”期間突破關(guān)鍵材料與裝備。2023年，南方電網(wǎng)廣東廣州供電局在廣州南沙部署全國首臺基于固態(tài)儲氫技術(shù)的氫能應(yīng)急電源車，并將該項目列入《廣州市能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃》。該車搭載的固態(tài)儲氫系統(tǒng)可存儲100千克氫氣，配備4個額定功率50千瓦的質(zhì)子交換膜燃料電池，能在200千瓦額定發(fā)電功率下持續(xù)供電6小時。

當(dāng)我們把目光投向工業(yè)脫碳場景，政策與產(chǎn)業(yè)的互動更顯深度。在德國，蒂森克虜伯的30億歐元氫能煉鋼項目，得到歐盟“創(chuàng)新基金”的重點資助，其規(guī)劃的15萬噸年綠氫需求，未來很可能通過固態(tài)儲氫技術(shù)實現(xiàn)跨區(qū)域輸送。

從實驗室的合金粉末到跨洋運(yùn)輸?shù)膬渚掭啠虘B(tài)儲氫技術(shù)用材料科學(xué)的智慧突破了氫能儲運(yùn)的物理極限，馴服了看似有些不羈的氫原子。當(dāng)中國的鎂基固態(tài)儲氫罐在東南亞港口卸載綠氫，當(dāng)日本的氫化鎂公交車穿梭于城市街頭，氫能正在從“概念燃料”蛻變?yōu)榭捎|摸的“能源商品”。

這場跨越世紀(jì)的技術(shù)長征，或許正是人類逐漸擺脫化石能源“依賴癥”的關(guān)鍵一步，畢竟，當(dāng)氫氣可以像鐵礦石一樣儲存、像煤炭一樣運(yùn)輸，清潔能源的未來將更加光明。