【材料】“握住”氢，开启未来能源之路—西安交大科研团队攻克氢能储存运输多项难题

随着“双碳”目标的确立，氢能的开发与利用被寄予厚望。西安交通大学成永红、张锦英教授带领团队在新型储氢技术及应用研究领域取得多项突破，有效解决了氢能储存、运输中的一系列难题，使氢能的大规模应用成为可能。

团队成员在做实验 记者 张梅文/图

氢能为何备受关注？如何能“握住”氢，开启未来能源之路？日前，记者在中国西部科技创新港西安交大新型储能与能量转换纳米材料研究中心采访了成永红。

■ 绿色低碳的未来能源

提起氢，大家都不陌生。氢元素排列在化学元素周期表的第一位，是浩瀚宇宙中分布最广泛的物质之一。氢燃烧热值高，是汽油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍。氢燃烧的产物是水，被认为是世界上最干净的能源。

区别于煤、石油、天然气等可以直接开采的一次能源，氢能是一种二次能源，需要通过一定的方法利用化合物制取。成永红介绍，根据其制取过程的碳排放强度，氢被分为灰氢、蓝氢和绿氢。灰氢是指通过化石原料制取的氢气，在生产过程中会排放大量二氧化碳；蓝氢是在灰氢的基础上，应用碳捕集和封存技术，实现中和碳制氢；绿氢是通过太阳能、风力等可再生能源发电进行电解水制氢，在制氢过程中没有碳排放。目前，我国氢气制取以灰氢为主，约占95%。未来，随着可再生能源发电成本持续降低，绿氢占比将逐年上升。

氢能在诸多领域均有广阔的应用前景。作为一种绿色能源，氢可通过氢燃料电池或氢内燃机转化为电能和热能，覆盖生产生活的方方面面。作为一种工业原料，氢能可广泛应用于石油、化工、冶金、电子、医疗等领域。

“氢能来源丰富、应用广泛。世界各国纷纷将氢能上升为国家战略，抢占产业发展先机和制高点。氢的制取、储存、运输、应用技术也成为世界科技前沿的热点。”成永红介绍，“从整个氢能产业链看，不管是供给侧的制氢环节，还是需求侧的综合应用，都有多种技术可供选择，而中间环节的存储与运输是难点。”

氢气具有易燃易爆、密度小、易扩散等特点，储存和运输非常难。现有的储氢方式主要有高压气态储氢、低温液态储氢、有机液态储氢和固态储氢等。其中，高压气态储氢是在高压下将氢气压缩，以高密度气态形式储存；低温液态储氢是将氢气压缩后冷却至零下252.65摄氏度以下，在绝热真空储存器中储存；有机液态储氢是将烯烃、炔烃或芳香烃与氢气反应实现储氢；固态储氢是利用物理吸附和化学氢化物的方式，实现氢的存储和运输。

“一种能源，如果无法安全、高效、低成本运输，就无法使供给侧和需求侧有效衔接，也就难以实现大规模应用。要让氢能真正发挥价值，成为未来能源，一定要一揽子布局，突破产业链各个环节的关键技术，尤其是存储与运输环节的技术。”成永红表示。

■ 把氢气“握在手里”

在西安交大新型储能与能量转换纳米材料研究中心，记者见到了一种高密度固态储氢材料——石墨烯界面纳米阀固态储氢材料。这种黑色的储氢材料和玻璃弹球一般大小，可以握在手里。

这种储氢材料由张锦英研发，可将氢制成固态，不仅提升了储氢释氢密度，还克服了低温释氢的行业难题，降低了运输成本，实现了储氢材料的安全、可控。

这是该团队瞄准氢能的储存和运输难题取得的重要成果。

氢是目前人类所知道的最轻的气体，其重量仅为空气的十四分之一，在0摄氏度时，一个标准大气压力下，其浓度为0.0899克每升。如果在常温常压的情况下运输，100升的储气罐只能储存约几克氢气，成本非常高。

“低温液态储氢的能耗和成本都特别大，高压气态储氢不利于长距离运输，而且易燃易爆。同时制氢和用氢往往不在一个区域，这两种方式都存在储运成本太大的问题。基于固态储氢材料的固态储氢，有望提供一个远期的解决方案。”成永红介绍。

固态储氢分为热解和分解两种释氢方式，即通过加热释放氢气或通过与水反应释放氢气。2012年开始，成永红、张锦英团队瞄准了更为绿色、可持续的氢化物水解储氢的方向开展科研攻关。

“通俗地说，水解氢化物储氢就是利用一定的材料和技术手段，先把氢封存在固体氢化物中储存、运输，使用的时候，打开封装的阀门，让氢化物和水进行反应，释放出氢气。”成永红介绍，“不同的氢化物和水发生反应的速度不一样，有的是特别缓慢的低速反应，有的是瞬间爆炸式的快速反应。我们选取了活性特别高的金属氢化物，它们一碰到水，就会瞬间爆炸式地把氢气释放出来。我们再利用石墨烯材料把这种氢化物封装起来，通过控制石墨烯的包覆来控制氢气的释放速度，就好比给氢化物和水之间，安装了一个阀门从而控制反应的过程，让氢气稳定充分地释放出来。”

“通过这种方式，我们运输100公斤的材料，到目的地后加水反应，最高可以释放25公斤的氢气，这样成本就大大降低了。”成永红介绍，这样的储氢方式还可以突破温度的局限性，在零下40摄氏度到80摄氏度范围内稳定工作。此外，氢气释放完的金属材料，仍然可以回收利用。

据了解，目前该团队正在进行该储氢材料的中试验证，并进行基于此新型储氢技术的便携式氢能电源、无人机、氢能源电动车等产品的设计和开发，推动科技成果落地应用。

■ 推动氢能“两链”融合

未来能源将给我们普通人带来哪些改变？

如果每家每户都能安装一台类似热水器那样的装置，它通过电解水产生的氢气不仅可以转化成电能，还可以燃烧转化成热能。这样只要有水，每家每户日常的用电、用火就都不成问题了。这是对现有能源使用方式的完全颠覆。

这并非天方夜谭。该团队已经在实验室做出了样机，从理论上证明了它的可行性。“从理论可行到现实可行还有很长的一段路要走，这有赖于研究的继续深入和整体科学水平的进步。科学研究就是要不断探索无限种可能。”成永红说。

面向未来，在不断攻克新型固态储氢技术关键难题的同时，该团队在氢网与电网融合、氢能的产业应用等领域不断探索研究，取得了一系列自主知识产权。

与发达国家相比，我国氢能产业仍处于发展的初级阶段。近年来，我国对氢能产业的发展越来越重视。2019年3月，《政府工作报告》提出推动充电、加氢等设施建设，这是氢能首次被写入《政府工作报告》；2021年10月，中共中央、国务院印发《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》，提出统筹推进氢能“制—储—输—用”全链条发展；今年3月，国家发展改革委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》，氢能被确定为未来国家能源体系的重要组成部分和用能终端实现绿色低碳转型的重要载体，氢能产业被确定为战略性新兴产业和未来产业重点发展方向。

陕西具有良好的制氢基础与大规模的应用市场，发展氢能的优势明显。2021年，陕西印发《加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系若干措施的通知》，指出要加快编制《陕西省氢能产业发展规划》，推动氢能产业发展，支持榆林、渭南、铜川、韩城等地建设规模化副产氢纯化项目，形成2个到3个千吨级燃料电池级氢气工厂。《陕西省“十四五”创新驱动发展规划》也提出要推进氢能、储能关键技术研发和应用，加快构建以新能源为主体的新型电力系统。

“加快氢能产业发展是助力我国实现碳达峰碳中和目标的重要路径。氢能的开发与利用正在引发一场深刻的能源革命，成为破解能源危机，构建清洁低碳、安全高效现代能源体系的新密码。作为能源大省，陕西应找准能源转型升级的定位，作出氢能产业的发展规划，瞄准产业链布局创新链，攻克产业发展的关键核心技术，让创新链和产业链实现融合。同时，面对氢能产业发展热潮，陕西要结合产业特点和优势，实现与其他省份地区的差异化发展。”成永红建议。

来源：西安交通大学；陕西日报 记者 张梅文