氢能重大突破！韩国团队如何在1升容器装进2升液氢？

你能不能在一升水的空间里，存储两升的水？你可能会说，这怎么可能？绝对不可能！然而最近，韩国科学家却真的在一升液氢的空间里，存进了两升多的液氢，被认为是储氢领域的重大突破和范式转变，甚至可能带来氢能源的重大进步，人类或将进入真正的氢时代。然而，这项突破真的有如此重大的意义吗？

韩国这项突破来自蔚山国家科学技术研究所吴贤哲（Hyunchul Oh）教授领导的团队，他们合成了一种叫纳米多孔镁硼氢化物 (Mg(BH4)2)的新材料，可以在每升体积中储存144克氢，而氢气在液化后每升也只有70.8克，即使在更低的温度下成为固态氢，一升也只有86克，这意味着这种材料竟然硬塞进了一倍多的氢气，它究竟是怎么做到的呢？

很多朋友可能都知道，氢能源汽车之所以在和电动汽车竞争中逐渐势微，败下阵来，马斯克甚至说它是一种非常愚蠢的技术，关键就在于制氢和储氢的困难。氢气是分子量最小的气体，体积小，密度低，常温常压下1升氢气只有0.0899克，这意味着存储相同质量的氢气需要比其他物质更大的体积。

而氢气的沸点极低，为-252.87℃，要存储液态氢，需要极低的温度和很高的压力，导致存储运输成本和难度的增加，以及巨大的能源消耗。并且氢气易燃易爆，空气中含量从4%到75%的宽范围内，遇到火星就会发生爆炸，比天然气的5%到15%宽得多，而它的分子又很小，非常容易从容器中泄漏，所以安全风险非常大。

目前氢气存储主要有高压气瓶、液氢储罐、金属氢化物、碳纳米管等。高压气瓶和液氢储罐技术较为成熟，但存在体积大、重量重、成本高等问题，并且安全隐患明显。比如丰田最新推出的氢燃料电池车，2024款Mirai，可以加氢5.6公斤，续航650公里，但氢气重量仅占碳纤维高压储罐的6%，并且遇到加氢站气压不足，还达不到5.6公斤，续航也会大打折扣。

而金属氢化物和碳纳米管储氢具有较高的密度和安全性，但仍处于研发阶段，成本较高，还没有大规模应用。韩国科学家的突破就是金属氢化物储氢，此前已有研究用氢化镁来存储液氢，理论上可以达到每升106克，按重量算是7.6%，已经超过了70MPa的储氢罐，但实验室水平只有5.5%左右，并且氢化镁的脱氢反应需要较高的温度和催化剂，导致脱氢过程能耗较高，且脱氢速率较慢，影响了充放氢效率。

金属氢化物储氢，是一种利用金属与氢气可逆反应来储存氢气的技术。金属在吸收氢气后形成金属氢化物，释放氢气时则分解为金属单质，具有储氢密度高、安全性好、来源广泛的优点。

在分子机制上主要又有两种方式，一种是化学键合，金属离子与氢原子通过化学键结合，形成金属氢化物。一种是物理吸附，氢分子通过物理作用（如范德华力）吸附在金属氧化物表面，物理吸附的结合能较弱，氢气更容易脱附。

韩国科学家使用的就是物理吸附，他们在室温惰性气氛下，用二丁基镁 (Mg(n-Bu)2) 和甲基硫醚硼烷复合物 ((CH3)2S·BH3)) 的甲苯溶液制成镁硼氢化物晶体，通过中子粉末衍射、体积气体吸附、非弹性中子散射和第一性原理计算分析，获得了这个惊人的结果。那么这个镁硼氢化物，为什么能存储超乎异常多的氢气呢？

这是因为镁硼氢化物是一种多孔纳米材料，孔隙内部的氢原子带有部分负电荷，这就像形成了一层层有吸引力的氢骨架，可以吸引外面气体分子进入。这些线性通道的空隙体积约占33%，直径约为9埃米，也就是10亿分之9米，最小开口为5.8埃米，可以吸引3.6埃米的氮气分子和2.9埃米的氢气分子。

在吸引氮气分子时，科学家们发现氮气分子固定在空隙中心，每个空隙只能吸附一个氮气分子。刚开始科学家们以为氢气分子也是这样，但实验和研究发现，在静电力和范德华力的共同作用下，五个氢气分子会相互吸引，排列成三维空间的五氢簇结构，就像在抱团取暖一样，刚好可以占据同一个空隙，大大提高了氢气在孔道内的体积密度，从而可以实现更高的储氢能力。

有些朋友看到这里可能还是不能明白，70.8克液氢就会占据1升的空间，为什么1升的多孔镁硼氢化物，不但不占用空间，里面反而会装下144克氢呢？这是因为液氢分子间还是有一定间距，而它们进入镁硼氢化物骨架后，由于5个氢分子抱成一团，形成了更紧密的结构，所以就可以容纳更多的氢气了。就像很多人挤公交车，在车站上你们可能随随便便，松松散散，看起来一大群乌合之众，但一旦公交车来了，再怎么挤，你们恐怕也会挤上去。

科学家们认为，这一发现解决了大规模储氢的关键挑战，是一项突破性的发现，将带来储氢领域的范式转变。再加上这种储氢不用高压罐，更加安全，储氢翻倍里程也翻番，Mirai可以直接跑1300公里，你可能会觉得，科学家们终于守得云开雾散，氢能源的春天就要来了，人类就要进入氢时代了。

然而这还只是实验室中的数据，并且它的质量分数为21.7%，也就是说总重量只有21. 7%是氢气，和现在航空系统低温冷却30%的质量分数相比还有一定差距，这意味着在氢动力飞机上它可能还没有什么用武之地，然后在氢动力卡车上，镁硼氢化物可能是比较好的解决方案，在静态能量存储上则可能是最好的。但镁硼氢化物仍然还面临一个问题，那就是它的脱氢能力如何，这决定了它的充放氢速率，还有它的工作温度和压力变化有什么影响，各种过程中能量损失如何等等，这些都还是未知数。

另外氢存储只是挑战的一个方面，更大的挑战是氢的生产。

氢气一直被认为是人类的终极能源，宇宙中任何一个先进文明，最终可能都会演化到使用氢能源。逻辑很简单，氢是宇宙中最丰富的元素，占了整个宇宙质量的75%，除氦以外的所有元素，几乎都来自于氢的燃烧。即使是地球最大的能量来源——阳光，也是来自于太阳的氢聚变。

而我们现在能利用的氢能源，还只是最简单的化学能，但即使如此，也是非常困难，举步维艰，原因很简单，氢太活跃，地球上几乎没有单质存在，要从其他化合物中把它分离出来，需要付出巨大的能源代价。从煤炭天然气制造的黑氢灰氢，到电解水制造的绿氢，成本高达每公斤9到40元，而且多年来进展不大，这意味着即使解决了氢存储问题，氢生产仍然是一个大问题。