氫氣“萬花筒”

?氫元素是元素周期表中的第一號元素，化學(xué)符號為H，其原子僅包含1個質(zhì)子和1個電子（供圖/苗淼）

對于宇宙的起源，目前學(xué)界普遍認(rèn)同“大爆炸宇宙論”，即137億年前，一個致密熾熱的奇點在一次大爆炸中膨脹形成宇宙。那時，宇宙中只有氫元素和氦元素，其他元素均還沒有形成。從這個意義上說，氫元素可謂整個宇宙的“元老”。即使后來宇宙中又產(chǎn)生了其他眾多元素，氫元素依然舉足輕重——它廣泛存在于宇宙的各個角落，其原子總數(shù)量占宇宙的90%、總質(zhì)量占宇宙的75%。

不過，氫元素的化學(xué)結(jié)構(gòu)過于單一，這使它成了“愛交朋友”的元素。單質(zhì)形態(tài)的氫幾乎僅在大氣中存在，其余的氫往往與其他元素相結(jié)合，以化合物形式存在，例如水（H2O）。

為了能穩(wěn)定存在，氫原子要和另一個氫原子“成雙成對”。氫氣是氫元素的單質(zhì)形態(tài)，其化學(xué)式為H2，即一個氫氣分子中有兩個氫原子（供圖/苗淼）

氫氣無色無味、極易燃燒。在化學(xué)課上，你可能學(xué)過氫氣燃燒的化學(xué)方程式：

2H2（氫氣）+O2（氧氣）=? 2H2O（水）

通過上面這個化學(xué)方程式，我們可以看出，氫氣的燃燒產(chǎn)物只有水。燃燒過程中還會釋放巨大的能量——這種能量便是氫能。也就是說，氫能是通過氫氣與氧氣燃燒獲得的，在這個過程中不會產(chǎn)生大氣污染物，因此，氫能是一種零排放的清潔能源。

氫原子是水分子的主要構(gòu)成部分。地球的水資源豐富，由此可知，氫在地球上的分布非常廣。據(jù)估計，如果海水中的氫被全部提取出來（關(guān)于電解海水制氫，詳見《知識就是力量》2023年6月刊），其燃燒產(chǎn)生的總熱量將是地球上所有化石燃料釋放熱量的9000倍。燃燒熱值高、可持續(xù)性強(qiáng)、儲量豐富、零污染——這些優(yōu)勢，使氫能成為新能源中的“熱門選手”。

氫能家族譜系圖（供圖/苗淼）

要實現(xiàn)“氫能自由”，首先要實現(xiàn)“氫氣自由”。目前，人類使用的氫氣大多需要人工制備，即從含氫化合物中獲取氫氣，包括化石燃料制氫、電解水制氫、含氫尾氣副產(chǎn)氫回收、高溫分解制氫等方式。

氫氣與其他燃料能量密度對比。從質(zhì)量上，氫的能量含量幾乎是汽油的3倍：氫氣為120兆焦耳/千克，汽油為44兆焦耳/千克。然而，從體積上正好相反：液氫的能量含量為8兆焦耳/升，而汽油則為32兆焦耳/升（供圖/苗淼）

根據(jù)生產(chǎn)氫能的技術(shù)路線和碳排放情況，工業(yè)界用顏色對各種類型的氫能進(jìn)行命名，用以區(qū)分。從黑氫到綠氫，氫能制備方法對環(huán)境造成的污染依次降低。

天然氫氣的形成主要包括生物成因（例如有機(jī)物的分解和發(fā)酵）和非生物成因（例如水-巖反應(yīng)、水的輻射分解），其中非生物成因具有重要優(yōu)勢。

水是地球內(nèi)部各圈層物質(zhì)交換的載體?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，水-巖反應(yīng)會改變巖石的化學(xué)成分和外觀。蛇紋石化是地球上最重要的水-巖反應(yīng)之一，它是指在某種溫度、壓力條件下，地幔中的橄欖石或輝石等鎂鐵質(zhì)礦物與水相互作用，發(fā)生水熱蝕變，進(jìn)而產(chǎn)生蛇紋石等礦物的熱液變質(zhì)作用。氫氣是橄欖石或輝石蛇紋石化反應(yīng)的副產(chǎn)品，因此，蛇紋石化是天然氫氣的主要來源之一。

利用這種產(chǎn)氫原理，人們可以人為讓礦物發(fā)生蛇紋石化，從而獲得氫氣。目前，已經(jīng)有科研團(tuán)隊嘗試將水泵入地下，讓水與富含鎂鐵質(zhì)的礦物相互作用，引起蛇紋石化，產(chǎn)生氫氣。

作為一種清潔能源，氫能向我們描繪出一幅綠色的未來圖景。你能想到氫能的哪些利用方式呢？歡迎掃碼告訴知力君！

氫能雖然是一種新能源，但人類對它的認(rèn)識、利用已有數(shù)百年時間。人類對氫能的認(rèn)識與人類科技史同步成長，主要可分為概念認(rèn)知、探索應(yīng)用和市場推廣三大階段。

1520年，瑞士煉金術(shù)士帕拉賽爾蘇斯發(fā)現(xiàn)了氫；1783年，法國工程師雅克·查爾斯利用氫氣首次實現(xiàn)了無人氫氣球飛行，這中間相隔了263年。

全球氫能發(fā)展利用歷程（供圖/ 苗淼）

進(jìn)入了21世紀(jì)后，科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展帶動了氫能利用的巨大進(jìn)步，人類對氫能的利用進(jìn)入了市場推廣階段。氫能的地位逐漸上升，世界上的許多國家均將氫能視為能源轉(zhuǎn)型的重要戰(zhàn)略選擇。

在中國，氫能產(chǎn)業(yè)逐漸走上“快車道”，氫能已被明確為未來中國能源體系的重要組成部分，中國成了全球最大的制氫國。氫氣的資源潛力和研究價值將進(jìn)一步提升，對支撐中國“雙碳”目標(biāo)實現(xiàn)具有關(guān)鍵意義。

? 蛇紋石化作用示意圖（供圖/苗淼）