氫：從恐怖核彈到未來能源

馬欄山

普通人眼中的氫

地球上的氫

氣球銷售員卡爾從小就想成為一名探險(xiǎn)家，去南美洲的“仙境瀑布”探險(xiǎn)。但是直到78歲高齡，他才下定決心完成自己一生的夙愿，他在自己的屋頂系上成千上萬個(gè)五彩繽紛的氫氣球，飛向夢(mèng)想中的“仙境瀑布”……

這是動(dòng)畫電影《飛屋環(huán)游記》的故事，氣球之所以能升到高空，是因?yàn)槔锩嫣畛涞臍錃饷芏冗h(yuǎn)小于空氣?？諝庵械臍錃馐呛苌俚模俏覀兪窃趺窗l(fā)現(xiàn)它的呢？

400多年前，好多醫(yī)生就在無意中提取到氫氣了，那時(shí)候他們發(fā)現(xiàn)金屬落到酸里面，會(huì)有一些氣體產(chǎn)生，這種氣體是可以燃燒的。英國化學(xué)家普利斯特里就很喜歡用氫氣的燃燒特性來作弄朋友。他用排水集氣法把氫氣收集在試管里，當(dāng)朋友來訪時(shí)，他在試管口一點(diǎn)火，試管立馬吐出長長的火舌，并發(fā)出震耳欲聾的爆炸聲，將他的朋友們嚇一跳，他給這種小玩意取了一個(gè)外號(hào)叫做“爆鳴氣”。

同一時(shí)間，英國化學(xué)家卡文迪許也在研究氫氣，不過卡文迪許作為一個(gè)將科學(xué)實(shí)驗(yàn)作為畢生摯愛的宅男，他可不像普利斯特里那樣只把氫氣作為惡作劇的道具，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，卡文迪許發(fā)現(xiàn)了氫氣的一些屬性，據(jù)此我們認(rèn)為他是氫氣的發(fā)現(xiàn)者。

卡文迪許用鐵和鋅等與鹽酸及稀硫酸反應(yīng)的方法制取氫氣，他發(fā)現(xiàn)，用一定量的金屬與酸作用，所產(chǎn)生的氫氣量總是固定不變的，與酸的種類和濃度無關(guān)。他還發(fā)現(xiàn)，氫氣與氧氣混合可以燃燒，而2毫升氫氣與1毫升氧氣燃燒后恰好得到水，這就是其他人沒有發(fā)現(xiàn)的燃燒背后的秘密。遺憾的是，因?yàn)檎J(rèn)識(shí)不夠深入的關(guān)系，卡文迪許沒有意識(shí)到自己發(fā)現(xiàn)了新元素，幾年后法國化學(xué)家拉瓦錫重復(fù)了卡文迪許的實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)了可燃?xì)怏w是一種新的元素，并命名為氫，意思是“成水元素”，至此氫才有了大名。

雖然發(fā)現(xiàn)了氫元素，但是我們對(duì)氫的了解在很長一段時(shí)間里還是停留在“比空氣輕，可以燃燒，但是提取麻煩”這樣簡(jiǎn)單的認(rèn)識(shí)里，因?yàn)樵诘厍蛏?，?dú)立存在的氫（即氫氣）實(shí)在是不多。泥土中約有1.5%的氫氣，空氣的成分中，氫氣僅占二百萬分之一，地球上絕大部分的氫都以化合物的形式存在于水中。

既然氫的存在感這么低，被科學(xué)家忽略也是很正常的吧，但是當(dāng)人們沖出地球，走向宇宙的時(shí)候，這種認(rèn)知被完全顛覆了，宇宙中最多的元素就是氫！

太空里的氫

宇宙是浩瀚而美妙的，那里有夢(mèng)幻般的星云、巨大而熾熱的恒星、充滿謎團(tuán)的黑洞，還有數(shù)不清的像地球一樣的行星們。

但是如果從元素的層面看，宇宙又是單調(diào)的。因?yàn)樵谡麄€(gè)宇宙中，氫和氦兩種元素就占了所有元素總質(zhì)量的98%，而氫元素就占了這之中的75%。如果按照原子數(shù)量而言，氫原子則占了所有原子總數(shù)的88.6%以上，也就是說，氫元素在宇宙中幾乎無處不在！

這么說也許還不夠體現(xiàn)氫元素的重要地位，事實(shí)上，氫元素可以說是元素之母和地球之母。

目前最主流的宇宙起源學(xué)說——宇宙大爆炸認(rèn)為，構(gòu)成當(dāng)今世界所有的物質(zhì)來自一個(gè)高密度高溫度的原始核的大爆炸，大爆炸后宇宙產(chǎn)生了中子，中子衰變成質(zhì)子和電子，質(zhì)子捕獲周圍經(jīng)過的電子形成了一個(gè)穩(wěn)定的電中性原子，這就是最簡(jiǎn)單的氫原子。

眾多的氫原子在引力作用下不斷聚集在一起，在壓力達(dá)到足夠大的時(shí)候，四個(gè)氫原子開始聚合成一個(gè)氦原子，這個(gè)聚合反應(yīng)是非常復(fù)雜的，最終會(huì)釋放出大量的能量，在氫的燃燒中，第一代恒星誕生了。這些恒星就如同元素加工廠一樣，把氫元素作為原料，不斷地聚變成氦和更重的元素，直到形成26號(hào)元素鐵。越大的恒星燃燒的速度越快，消亡得也就越快，足夠大的恒星在死亡的時(shí)候，會(huì)進(jìn)行一次超新星爆發(fā)，變成一顆中子星或者黑洞，同時(shí)產(chǎn)生的巨大壓力和熱量使得更重的元素誕生了，比如79號(hào)元素金。氫的燃燒“生出”了后面的眾多元素和物質(zhì)，可謂是名副其實(shí)的元素之母。

從宏觀層面來看，說太陽是地球之母應(yīng)該沒有人能反對(duì)，我們賴以生存的能量都是太陽提供的，但太陽提供的能量其實(shí)也來自于氫。

太陽中含有極其豐富的氫元素，按質(zhì)量計(jì)約占太陽總質(zhì)量的71%，在太陽內(nèi)極高溫（1500萬度）和極高壓（2000億個(gè)大氣壓）的環(huán)境下，氫核聚變成氦核，同時(shí)釋放出巨大的能量，這其實(shí)就是氫彈的原理。不同于氫彈的是，太陽內(nèi)部還有“自控”機(jī)制，一輪聚變后，太陽的溫度升高，驅(qū)動(dòng)全是氣體的星體膨脹，這就反過來導(dǎo)致太陽的溫度壓強(qiáng)降低，從而降低了聚變速率，這樣能量就不會(huì)瞬時(shí)釋放，導(dǎo)致毀滅性的爆發(fā)。

太陽沒有一下子就把自己炸完，而是持續(xù)“可控”地釋放能量，這才給地球生物進(jìn)化繁衍提供了機(jī)會(huì)，太陽上的氫是地球之母，這樣說也無可辯駁吧。

科學(xué)家眼中的氫

小氫氣有大能量

雖然我們不敢像《飛屋環(huán)游記》里只憑小小的氫氣球飛越大半個(gè)地球，不過氣球確實(shí)給我們的童年帶來了許多的樂趣，我們也曾經(jīng)被這樣的“噩夢(mèng)”困擾，一旦不小心松手，氣球就會(huì)晃晃悠悠越升越高，直到夠不著;即使氣球可以“安全”回到家中，第二天也會(huì)變得“面目全非”，由一個(gè)圓乎乎的大西瓜變成皺巴巴的小橘子……

小時(shí)候我們不知道為什么氣球具有這樣的“魔力”，長大后才知道這與氫氣的性質(zhì)有關(guān)。當(dāng)然，由于氫氣遇明火會(huì)發(fā)生爆炸，越來越多的人呼吁不要使用氫氣給小朋友們玩的氣球充氣。

可是氫氣的能量可遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止填充氣球而已。氫氣燃燒時(shí)火焰可以達(dá)到3000℃左右，工業(yè)上常利用此反應(yīng)切割和焊接金屬;高溫環(huán)境下，氫可以將金屬氧化物還原成純金屬;往普通植物油中加氫可以得到氫化植物油，我們常用的奶精、奶油和代可可脂等都是這樣制成的;氫氣還有醫(yī)學(xué)作用，研究表明，吸入2%的氫氣可以有效清除對(duì)人體有害的自由基，可治療炎癥損傷、心臟移植后損傷和慢性腎病等。

像太陽內(nèi)部發(fā)光發(fā)熱的反應(yīng)一樣，氫的同位素（具有相同質(zhì)子數(shù)、不同中子數(shù)的元素）氘、氚等原子的原子核發(fā)生核聚變反應(yīng)，會(huì)瞬時(shí)釋放出巨大能量，根據(jù)氫的核聚變?cè)?，我們制造出了威力遠(yuǎn)大于原子彈的核武器——?dú)鋸棥＿@是目前我們能制造出來的威力最大的熱武器，也是我們能獲得的最大的能量。只是我們還無法控制好氫彈能量的釋放，如果有一天我們能找到像太陽一樣可以隨著反應(yīng)的進(jìn)行擴(kuò)大或縮小體積，從而調(diào)控反應(yīng)體系內(nèi)的溫度和壓力的容器，實(shí)現(xiàn)氫能的可控釋放，那在很長一段時(shí)間內(nèi)我們就不再需要擔(dān)心能源耗竭的問題了，畢竟氫原子在宇宙中可謂是取之不盡的。

利用氫核聚變的能量目前看起來還是一個(gè)遙遠(yuǎn)的難以實(shí)現(xiàn)的夢(mèng)想，但是將氫氣像天然氣一樣儲(chǔ)運(yùn)、并將其燃燒供能已經(jīng)在逐步商業(yè)化中了。

氫氣儲(chǔ)運(yùn)是個(gè)難題

我們現(xiàn)在已經(jīng)有好幾種方法能夠得到廉價(jià)的氫氣：從工業(yè)副產(chǎn)物中提取氫氣;利用煤炭、天然氣等化石能源制取氫氣;利用來自生物的甲醇甲烷制取氫氣;利用風(fēng)能、太陽能發(fā)電來分解水等。這些方法得到的氫氣可以說是大量而廉價(jià)的，真正的問題在于，氫氣作為一種又輕又易泄漏還“易怒暴躁”的氣體，我們?nèi)绾伟踩指咝У貎?chǔ)存和運(yùn)輸它呢？

因?yàn)槊芏刃〉木壒?，氫氣滲透性很強(qiáng)，常溫下就可透過橡皮和乳膠管，而在高溫下可透過鈀、鎳、鋼等金屬薄膜。不僅如此，在高溫、高壓下，氫原子還可以滲透到鋼的晶格中，導(dǎo)致鋼瓶脆化開裂。氫氣的這種性質(zhì)給氫氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸帶來很大困難。為了解決這個(gè)問題，科學(xué)家們主要從兩個(gè)方面考慮，一個(gè)是儲(chǔ)氫技術(shù)，另一個(gè)就是儲(chǔ)氫材料。

加壓和降溫是儲(chǔ)氫技術(shù)最開始考慮的方向。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是目前最常用的儲(chǔ)氫技術(shù)，原理是采用高壓將氫氣壓縮到一個(gè)耐高壓的容器里，主要用的容器有純鋼制金屬瓶、鋼制內(nèi)膽瓶、鋁內(nèi)膽瓶及塑料內(nèi)膽瓶4個(gè)類型，車載儲(chǔ)氫瓶大多使用后兩種容器。低溫液態(tài)儲(chǔ)氫是在高壓、低溫的條件下使氫氣液化再儲(chǔ)運(yùn)液態(tài)氫，儲(chǔ)運(yùn)效率更高且可以防止泄漏。

不過上述兩種技術(shù)都需要高壓，儲(chǔ)氫罐除了制造難度大，成本高昂外，還存在易爆炸的安全隱患。液態(tài)儲(chǔ)氫成本很高，要液化1千克的氫氣就要消耗4～10千瓦時(shí)的電量。

中國找到了一種更好的方案，常溫常壓儲(chǔ)氫，2016年9月中國運(yùn)營的氫能公共汽車“泰歌號(hào)”正是使用了這個(gè)技術(shù)，采用特殊溶液吸收氫氣，平?？梢苑€(wěn)定儲(chǔ)存，加入催化劑便可釋放氫氣，溶液可重復(fù)使用2000次。整個(gè)過程不用加壓降溫就可以完成，大大提高了安全性。

尋找儲(chǔ)氫量大、安全高效、成本低廉的儲(chǔ)氫材料是儲(chǔ)運(yùn)氫氣的另一個(gè)方向，金屬合金、碳納米材料是目前研究最多的儲(chǔ)氫材料。金屬合金具有特殊的晶體結(jié)構(gòu)，使得氫原子容易進(jìn)入其晶格的間隙中并與其形成金屬氫化物。其貯氫量可達(dá)金屬本身體積的1000～1300倍。氫與這些金屬的結(jié)合力很弱，一旦加熱和改變氫氣壓強(qiáng)，氫即從金屬中釋放出來。碳納米材料顆粒小、比表面積大，氫原子可以結(jié)合的面積顯著增多，不過這個(gè)材料成本較高，還在實(shí)驗(yàn)室研究階段。

直接儲(chǔ)運(yùn)和將氫氣像天然氣那樣燃燒供能還是存在一定的安全問題，因?yàn)闅錃鈱?shí)在太輕和太易泄漏，更可怕的是如果氫氣在空氣中濃度達(dá)到4%～75%，只要有一點(diǎn)明火就會(huì)發(fā)生爆炸。如果在一個(gè)狹小的空間里使用氫氣罐，比如廚房或者地下隧道等，從氫氣泄漏到發(fā)生爆炸的整個(gè)過程中，人的逃生時(shí)間只有1秒！想將氫氣推廣起來，需要尋找更安全的方法。

氫能源的新形態(tài)

氫氣作為燃料，主要還是通過氫燃料電池，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。燃料電池可以使富氫燃料氧化，轉(zhuǎn)化為有用的能量而不會(huì)在明火中燃燒，這比起直接燃燒氫氣更加安全，而且與內(nèi)燃機(jī)燃燒做工時(shí)的30%的效率相比，氫燃料電池的轉(zhuǎn)化效率更高，可達(dá)32%至70%。當(dāng)然即使將氫氣的能量轉(zhuǎn)化成電能，還是逃不掉氫氣的儲(chǔ)運(yùn)問題，再加上氫燃料電池需要使用貴金屬鉑作為催化劑，目前市面上使用氫燃料電池的汽車還是少數(shù)的。

太空中有大量氫元素。太陽系中最大的行星——木星，表面是一層3000千米厚的主要成分是氫氣的大氣，在大氣層下面，是一層很厚的液氫層，而核心是液態(tài)金屬氫層。木星的核心，壓力大到我們難以想象的程度，原子與原子之間的距離已經(jīng)被壓縮到了很小的地步，氫原子的每個(gè)原子核周圍都圍繞著十幾個(gè)來自其他氫原子的電子，這時(shí)候這些電子就可以像金屬中的電子一樣，在原子核的間隙中自由穿行，被各個(gè)原子核“共享”，這樣就形成了金屬氫。受木星的“啟發(fā)”，科學(xué)家在地球的實(shí)驗(yàn)室里也成功將氫氣“變成”了金屬（詳見后文《氫氣也能“點(diǎn)氣成金”》）。

我們研究氫能源還有一個(gè)深層的考慮，太空中不是有很多氫氣嗎？在我們向太空進(jìn)發(fā)的征途中，如果飛船燃料耗盡了，可不可以就地取材，將氫氣作為燃料？如果這個(gè)想法能實(shí)現(xiàn)，沖出太陽系也許就不再僅僅是一個(gè)夢(mèng)想了。1960年，美國物理學(xué)家巴薩德提出了一種沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，他在飛船頭部設(shè)計(jì)了一個(gè)巨大的漏斗，其中有一個(gè)巨大的磁場(chǎng)，用以將星際塵埃粒子收集起來，傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，作為核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)的原料，將核能作為飛船前進(jìn)的動(dòng)力。

當(dāng)然這個(gè)想法直到現(xiàn)在我們都還無法實(shí)現(xiàn)，先不說核聚變還達(dá)不到可控的程度，單是我們收集到的星際塵埃粒子是什么性質(zhì)我們都還沒有了解透徹，比如說最近科學(xué)家在NGC 7027這個(gè)年輕的行星狀星云里發(fā)現(xiàn)的氫氦正離子，它就是一種目前我們已知的“宇宙最強(qiáng)酸”，我們現(xiàn)在沒有什么容器可以容納這個(gè)離子而不被腐蝕。這樣控制不了的粒子在宇宙中可能還有很多，我們可不能輕易把它們作為燃料。

小小的氫氣具有大大的能量，但是如何更安全高效地使用，我們還需要長長的時(shí)間慢慢去了解。