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兩家公司聯合揭曉了全球首條氫化鎂量產產線的面紗——
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。也是在2024年，全球首例噸級鎂基固態儲氫罐從我國上海外高橋港出發——
這個看似普普通通的集裝箱，實則裝載著1噸氫氣，運輸成本僅為傳統高壓氣態儲氫的1/3。當它安全地抵達馬來西亞時，也標志著固態儲氫全球化的首航圓滿完成。
悄然之間，除了氣態、液態兩種形態之外，以氫化鎂為代表的固態儲氫材料，正在成為解決氫工業儲存運輸難題的一把“關鍵鑰匙”，為高效利用氫能源解鎖了更大空間，催生了更多想象。
那么，何為固態儲氫材料?它有哪些特性與優點?未來應用前景如何?請看本期解讀。
固態儲氫技術：解鎖氫能“關鍵鑰匙”
■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——標準狀態下，氫氣密度僅為空氣的1/14。
1立方米常溫常壓的氫氣質量僅僅為0.0899千克，卻蘊含著巨大的能量——同等質量下，1克氫氣提供的能量相當于汽油的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——當氫與氧發生化學反應時，唯一的產物是水分子。這一優越特性使氫成為真正實現“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。
在航天領域，液氫與液氧組合的火箭發動機曾推動阿波羅飛船登陸月球，“液氫與液氧的組合”至今仍是化學推進劑的巔峰之作。全球每年消耗的氫氣中，超過半數被用于合成氨、煉油和電子制造，對人類社會發揮著重要作用。
在交通領域，氫燃料電池能夠助力汽車新動能;在工業脫碳領域，鋼鐵、化工等“高碳大戶”正探索用綠氫替代煤炭和天然氣;在儲能領域，氫能夠將風能、太陽能等間歇性可再生能源轉化為穩定的化學能……
然而，我們看到，這樣的理想能源面臨著巨大的儲運難題。在常溫常壓狀態下，儲存1噸氫氣需占據1.1萬立方米以上的空間，這相當于5個標準游泳池的容積總和，大規模運輸和存儲氫氣的難度可想而知。
為突破體積限制，工業界曾長期采用兩種儲運方式：高壓氣態儲氫和低溫液態儲氫。
高壓氣態儲氫利用高壓，將氫氣壓縮到鋼瓶等耐高壓的容器里。這種方式具備結構簡單、壓縮氫氣制備能耗低、充裝和排放速度快等優點。不過，其儲氫量較低，且對高壓儲氫罐存在較高的技術要求。
以卡車運輸為例，高壓氣態儲氫的方式主要依靠運輸人員將氫氣加壓至數百倍大氣壓后，儲存到特制鋼瓶中，而一輛載重40噸的卡車能夠運輸的氫氣重量往往不到1噸，這大大提高了運輸成本。
低溫液態儲氫是將氫氣壓縮后，冷卻至-253℃使其變為液氫，并儲存在低溫絕熱的真空容器中。這種方式的儲運量更大、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”現象也是個棘手的難題。極小的氫分子滲入傳統容器后，會顯著削弱容器的材料力學性能。氫原子在金屬內部聚集，會在較小范圍內形成應力集中，導致容器產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多年前英國化學家卡文迪許首次分離出氫氣，人們就開始了對氫氣儲運難題的攻關。不過，這種攻關長期局限于傳統手段，沒有突破氣態儲氫和液態儲氫的“桎梏”。
轉機出現在1968年。這一年，美國布魯克海文國家實驗室的科學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，在常溫下實現固態儲氫。鎳鎂合金儲氫密度達64kg/m3，徹底顛覆了儲氫必須依賴高壓、低溫等條件的傳統認知。
1970年，荷蘭菲利浦實驗室的研究成果表明，鑭鎳合金可以實現在室溫下快速吸放氫，為固態儲氫奠定了工程化基礎。
時間的車輪駛入21世紀，氫能的儲存、運輸問題愈加凸顯，成為制約產業發展的瓶頸，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、各國培育新興產業的重要方向、推動綠色低碳轉型的重要抓手，固態儲氫技術獲得了前所未有的快速發展，開始大踏步地走進人們的視野。
材料科學引領氫能儲運新航向
按照制取工藝碳排放程度的不同，氫氣產品可以分為灰氫、藍氫、綠氫三種。
綠氫是指通過可再生能源驅動生產出的氫氣，制備過程碳排放為零，是清潔能源轉型的關鍵角色之一。
基于材料科學的發展，固態儲氫技術打開了氫能儲運的全新維度。這種將氫原子固定于金屬晶格、化學分子或多孔材料中的創新方案，賦予氫能儲運高密度、高安全、高純度的核心特質，讓綠氫從實驗室走向現實場景成為可能。
我國上海交通大學的研發團隊就將鎂原子與氫原子巧妙結合，如同為氫氣打造了一個微觀的“晶格牢籠”，最終形成穩定的儲氫化合物。該材料的單位體積儲氫密度高達110kg/m3，意味著1立方米的空間就能儲存1200立方米氣態氫的能量。
日本Biocoke Lab公司也先后開發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氫化鎂。
當氫能走進工業場景，安全性成為首要考量。我國國家稀土功能材料創新中心在內蒙古礦區交出了一份亮眼答卷：他們開發的稀土鎳基儲氫合金，將氫原子緊緊鎖在金屬晶格中，形成化學性質穩定的固態材料。應用該技術的氫燃料叉車徹底告別了高壓鋼瓶的隱患，儲氫量也比傳統方案提升2倍。這些“鋼鐵搬運工”穿梭在礦區，不再需要工作人員小心翼翼地防爆。憑借固態儲氫的穩定特性，氫燃料叉車成為高危場景中的可靠伙伴。
高效且穩定的特性是儲氫材料具備工業競爭力的前提。2024年，黃浦江畔的一個實驗室里，某企業研發的納米碳鎂基固態儲氫材料通過了中國工業氣體工業協會的鑒定。這種由鎂納米粒子與碳納米管復合而成的固態儲氫材料，在常溫低壓環境下，可以在擁有高儲氫密度的同時，實現高效吸氫放氫，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線通過實現氫化鎂的高效化、連續化、數字化生產，有效降低了生產成本，是儲氫材料規?；a的有益嘗試。
當然，固態儲氫技術仍有發展的空間。目前，多數固態儲氫材料仍需200~300℃的高溫才能實現高效釋氫，離不開額外的加熱系統;工業氫氣中的微量雜質也可能影響材料性能;此外，不同技術路線的儲氫罐接口各異，需要全球共同制定標準才能兼容。
隨著全球標準化進程的加速，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實，材料科學與工程學樹狀圖上正交錯萌發著新的枝丫。
固態儲氫前景廣闊
在綠色生態轉型的大背景下，全球各地針對固態氫能的政策舉措相繼出臺，為技術迭代、產業發展鋪平了道路。
在歐洲，政策推動更強調跨國協同與產業鏈整合。
歐盟《氫能戰略》設定了雄心勃勃的目標：2030年建成40吉瓦綠氫電解槽產能，并打造橫跨北海與波羅的海的“氫能走廊”，推動固態儲氫技術等在跨國能源網絡中的應用。
在亞洲，日本的政策扶持更具針對性。其《基本氫能戰略》明確對低碳氫提供長達15年的補貼，并特別設立“固態儲氫創新基金”，加速氫化鎂等材料的商業化進程。
回到中國，為加快綠色低碳能源布局，國家發改委將固態儲氫納入《氫能產業發展中長期規劃》，明確“十四五”期間突破關鍵材料與裝備。2023年，南方電網廣東廣州供電局在廣州南沙部署全國首臺基于固態儲氫技術的氫能應急電源車，并將該項目列入《廣州市能源發展“十四五”規劃》。該車搭載的固態儲氫系統可存儲100千克氫氣，配備4個額定功率50千瓦的質子交換膜燃料電池，能在200千瓦額定發電功率下持續供電6小時。
當我們把目光投向工業脫碳場景，政策與產業的互動更顯深度。在德國，蒂森克虜伯的30億歐元氫能煉鋼項目，得到歐盟“創新基金”的重點資助，其規劃的15萬噸年綠氫需求，未來很可能通過固態儲氫技術實現跨區域輸送。
從實驗室的合金粉末到跨洋運輸的儲氫巨輪，固態儲氫技術用材料科學的智慧突破了氫能儲運的物理極限，馴服了看似有些不羈的氫原子。當中國的鎂基固態儲氫罐在東南亞港口卸載綠氫，當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”蛻變為可觸摸的“能源商品”。
這場跨越世紀的技術長征，或許正是人類逐漸擺脫化石能源“依賴癥”的關鍵一步，畢竟，當氫氣可以像鐵礦石一樣儲存、像煤炭一樣運輸，清潔能源的未來將更加光明。
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