氫是宇宙中最小的元素，作為一種清潔能源有著巨大的潛力。使用氫(H2)作為燃料和儲存能量的手段可以減少我們對石油的依賴，幫助我們減少空氣污染和溫室氣體排放，以實現(xiàn)我們更清潔、更美好的氣候目標(biāo)。然而，大規(guī)模采用氫能源需要技術(shù)進步和新基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。

勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)的科學(xué)家們正在領(lǐng)導(dǎo)地方和國家項目，旨在優(yōu)化氫能生命周期的各個階段，從成本效益和環(huán)境友好型氫氣生產(chǎn)的工程技術(shù)一直到開發(fā)高效的氫燃料電池。

以下是我們目前關(guān)注的領(lǐng)域綜述，包括氫的生產(chǎn)、儲存、使用和分析，以實現(xiàn)無碳的未來。

1、電解：從水中獲得的無碳燃料

傳統(tǒng)上，最常見的生產(chǎn)氫氣的方法是在煉油廠重整天然氣。但隨著我們從化石燃料轉(zhuǎn)向可再生能源，電解——利用電和催化劑分解水分子產(chǎn)生氫氣的過程——正越來越受歡迎。

由于氫氣在內(nèi)燃機或燃料電池中燃燒時不會產(chǎn)生二氧化碳，當(dāng)你用可再生電力為電解槽供電時，得到的氫燃料幾乎是零碳能源。電解方法已經(jīng)存在了幾十年，但由于高昂的資金成本和所需的電力成本，該方法尚未在商業(yè)規(guī)模上廣泛采用。

伯克利實驗室的科學(xué)家們正致力于開發(fā)多種電解技術(shù)，作為“下一代水電解槽氫”(H2NEW)多實驗室聯(lián)盟的一部分。該聯(lián)盟的目標(biāo)是使可制造的電解槽能夠在2025年之前將氫的成本降低到每公斤2美元，以便與天然氣制氫競爭。

一個團隊正在研究高效的高溫電解系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用水泥和氨生產(chǎn)等工業(yè)過程產(chǎn)生的副產(chǎn)品產(chǎn)生的熱量，或太陽能熱電廠和核電站產(chǎn)生的多余熱量，作為能量來幫助驅(qū)動水分解反應(yīng)。

其他研究人員正在研究低溫質(zhì)子交換膜(PEM)電解，這種電解在低于100攝氏度(212華氏度)的溫度下工作，使它們能夠與風(fēng)能和太陽能等可再生能源相結(jié)合。低溫PEM電解技術(shù)較為發(fā)達，在計劃部署的電解槽中占很大比例。

不幸的是，這些裝置需要銥——地球上最稀有的元素之一——作為電極催化劑，將氫質(zhì)子從H2O分子中分離出來，并從新的單個氧原子中生成O2。

能源技術(shù)領(lǐng)域(ETA)的資深科學(xué)家Rangachary Mukundan擁有數(shù)十年研究燃料電池和電解槽的經(jīng)驗，他說：

“當(dāng)大量使用銥時，就像今天的商業(yè)電解槽一樣，一切都能正常工作，而且系統(tǒng)非常耐用?！?/p>

但是，他指出，當(dāng)你試圖減少銥的用量以降低成本時，“你就會開始看到耐用性問題。隨著時間的推移，銥會溶解并從催化劑層進入膜中，因此性能不再穩(wěn)定。”

ETA能源轉(zhuǎn)換小組的研究科學(xué)家Xiong Peng是一個團隊的成員，他試圖通過重新設(shè)計電解槽的多孔傳輸層(PTL)來解決這個問題。PTL是催化劑和流場之間的材料，也是水流經(jīng)電解槽的地方。

最近的研究表明，通過激光燒蝕來修飾該層的多孔納米結(jié)構(gòu)可以改善PTL與電極的接觸，從而提高其性能。

2、甲烷熱解：利用溫室氣體制造氫燃料

電解分解水，另一種稱為甲烷熱解的技術(shù)利用熱量和催化劑將甲烷氣體（CH4）分解為氫氣和有用的固體碳產(chǎn)品，如石墨、碳納米管和富勒烯。目前還沒有大規(guī)模的甲烷熱解系統(tǒng)在使用，因為現(xiàn)有技術(shù)需要高熱量（大于1000攝氏度或1832華氏度）來引發(fā)分子分解，因此由于能源和專門的、具有溫度彈性的設(shè)備的成本，該過程變得昂貴。但考慮到這種方法提供了三對一的好處，即在生產(chǎn)無碳燃料和有價值的材料的同時去除溫室氣體，許多研究人員正在努力使甲烷熱解在商業(yè)上可行。

伯克利實驗室能源轉(zhuǎn)換小組的Ji Su領(lǐng)導(dǎo)的一個多機構(gòu)團隊正在開發(fā)一種新型液態(tài)金屬催化劑，有望在450-800攝氏度（842-1472華氏度）的較低溫度下實現(xiàn)高效、高耐久性的甲烷熱解。最近，一篇描述催化劑原理和早期實驗數(shù)據(jù)的論文發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，該團隊獲得了《2023 R&D 100》大獎。

Su說：“低溫活動為甲烷熱解過程提供了利用其他工業(yè)過程廢熱的機會，而不是其他本身產(chǎn)生碳的能源。例如，在我們的催化劑使用范圍內(nèi)，歐盟每年產(chǎn)生的總廢熱估計約為120TWh。此外，低操作溫度是使用可再生電力進行電加熱的理想選擇，這將提高效率并實現(xiàn)零二氧化碳足跡?！?/p>

該團隊的原型系統(tǒng)非常簡單。催化劑是鎳、鉬和鉍的合金。一層只有幾厘米高的合金薄層裝在一個小的彎曲石英管中，放在一片多孔石英的頂部。管被加熱，使催化劑變成液體。甲烷通過底部管道進入，并通過多孔石英起泡進入液體催化劑，在那里，合金的金屬原子混合物共同作用，將CH4分子分解。氫氣從管的頂部流出，在那里可以收集氫氣，而碳的副產(chǎn)品——在這些測試中是純石墨——整齊地堆積在催化劑的頂部?？茖W(xué)家們指出，在原型系統(tǒng)中，催化劑中的一克鎳可以在一小時內(nèi)產(chǎn)生2.4升氫氣。在800攝氏度下連續(xù)運行120小時后，該系統(tǒng)仍然運行平穩(wěn)，沒有檢測到石墨以外的化學(xué)產(chǎn)品，這表明甲烷具有良好的耐久性和完全分解能力，沒有任何可能損壞系統(tǒng)或成為污染源的意外副產(chǎn)品。

盡管這項技術(shù)仍處于早期開發(fā)階段，但該團隊樂觀地認為，它將在商業(yè)規(guī)模上運行良好?！拔覀兊募夹g(shù)超過了任何其他甲烷熱解催化劑的整體性能，”Su說。他和其他人計劃下一步建造一個一米長的甲烷反應(yīng)器，并設(shè)想不久的將來，一個將許多管式反應(yīng)器與熱源并聯(lián)的系統(tǒng)可以同時運行，生產(chǎn)大量清潔的氫燃料。

3、太陽能發(fā)電：受自然啟發(fā)的可持續(xù)燃料

電解和熱解并不是獲得可持續(xù)氫氣的唯一途徑。另一種途徑是太陽能發(fā)電，這是一類受光合作用啟發(fā)的技術(shù)，利用陽光中的能量驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)，將水和大氣中的氣體轉(zhuǎn)化為燃料。隸屬于液體陽光聯(lián)盟（LiSA）的科學(xué)家們正在努力使這些太陽能燃料系統(tǒng)成熟，并使其達到工業(yè)使用所需的規(guī)模。

最近，LiSA團隊開發(fā)了一種新的人工光合作用單元，該原型單元由氧化亞銅（Cu2O）制成，頂部有薄層銀，底部有金和氧化鐵。氧化亞銅是一種很好的太陽能燃料催化劑，因為它價格低廉，易于獲得，對光的反應(yīng)性很高，但就其本身而言，它很快就會被化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的腐蝕性自由電子和帶電分子損壞。該團隊發(fā)現(xiàn)，他們的“三明治”設(shè)計通過將頂部表面產(chǎn)生的電荷通過銅材料輸送到金和鐵的“水槽”中，大大減少了腐蝕，延長了壽命。盡管他們的實驗是為了產(chǎn)生另一種氣體燃料乙烯，但這項技術(shù)可以很容易地用于生產(chǎn)氫氣（H2）。

實驗室工作臺上的玻璃太陽能燃料電池原型的特寫

該研究的合作者、材料科學(xué)家Joel Ager說：“Cu2O研究中的新見解同樣適用于制造氫等其他太陽能燃料。太陽能制氫是一項更成熟的技術(shù)，但它仍然缺乏商業(yè)使用所需的壽命。我們很高興能將從Cu2O中學(xué)到的見解應(yīng)用到其他系統(tǒng)中。”

Ager領(lǐng)導(dǎo)HydroGEN的光電化學(xué)團隊，HydroGEN是一個由五個美國能源部國家實驗室組成的聯(lián)盟，與行業(yè)和學(xué)術(shù)合作伙伴合作開發(fā)先進的水分解材料。通過HydroGEN，伯克利實驗室的科學(xué)家開始與密歇根大學(xué)的研究人員合作，分析該小組基于硅和氮化鎵的人工光合作用設(shè)備。過去幾年的實驗表明，該裝置在生產(chǎn)氫氣方面非常有效。而且，與其他所有人工光合作用催化劑（以及大多數(shù)技術(shù)）不同，氮化鎵隨著時間的推移會變得更高效，而不是分解。通過伯克利實驗室分子鑄造廠進行的先進電子顯微鏡和X射線光譜能夠表明，該設(shè)備中使用的納米線側(cè)壁的氫氣產(chǎn)量增加是性能提高的原因。HydroGEN聯(lián)盟的另一個成員Lawrence Livermore國家實驗室進行的工作隨后揭示了造成這種影響的原子機制。

“我們已經(jīng)研究這種材料超過10年了，我們知道它是穩(wěn)定高效的。但這種合作有助于確定它變得更堅固、更高效而不是退化的基本機制，”該材料的發(fā)明者、密歇根大學(xué)電氣和計算機工程教授Zetian Mi說。Mi說：“這項工作的發(fā)現(xiàn)將幫助我們以更低的成本建造更高效的人工光合作用設(shè)備?！?/p>

4、更好的儲氫方法

一旦產(chǎn)生氫氣，就必須將其儲存并運輸?shù)郊佑驼尽l(fā)電廠、化學(xué)制造中使用氫氣的工廠和其他用戶那里。然而，由于氫的體積很小，很難控制。由于氫分子對中的每個原子只由一個質(zhì)子和一個電子組成，分子可以很容易地穿過固體材料中結(jié)合在一起的較大原子之間的空間。為了減少儲存容器的泄漏，氫氣通常以液體形式在非常低的溫度下儲存或在高壓下壓縮。雖然這些方法運行得很好，但它們是非常耗能和昂貴的。

伯克利實驗室的科學(xué)家們正在開發(fā)一種名為金屬有機框架（MOFs）的特殊材料，這種材料可以像海綿一樣在更接近環(huán)境條件的壓力和溫度下吸收氫氣。所有MOF都由被有機連接分子包圍的金屬原子團簇的重復(fù)單元組成，盡管確切的成分因MOF吸引的分子種類而異。

這些單元產(chǎn)生了多孔三維結(jié)構(gòu)，每體積材料的表面積非常高。氫氣很容易流入孔隙，然后緊緊地附著在內(nèi)表面的帶電顆粒上，直到壓力降低，然后氫氣被釋放出來，并可以轉(zhuǎn)移到其最終目的地。

ETA可持續(xù)能源與環(huán)境系統(tǒng)部的研究科學(xué)家Peng Peng解釋道：“液氫需要冷卻到負250攝氏度，壓縮氣體需要350-700倍大氣壓的高壓。而MOFs在適度冷卻和一半壓力下可以儲存與高壓氣體相同數(shù)量的氫氣。”

MOFs的其他優(yōu)點包括與液體儲存容器相比，向大氣蒸發(fā)的損失更小，并且與高壓罐相比，燃燒危險更低。

Peng和他的同事們一直在為新的MOF設(shè)定目標(biāo)，并通過計算模型評估MOF的性質(zhì)和性能，該模型基于加州大學(xué)伯克利分校的化學(xué)家和材料科學(xué)家合作者通過DOE氫材料高級研究聯(lián)盟（HyMARC）合成的樣品的小規(guī)模測試。一些材料已經(jīng)進入原型階段，少數(shù)材料已經(jīng)在商業(yè)化的道路上。Peng表示，目前MOFs最大的障礙是制造這種材料和快速向其中充入氫氣的高成本。

伯克利實驗室的團隊通過HyMARC也在研究其他儲存解決方案，如結(jié)合氫原子的金屬，稱為氫化物，以及將氫儲存在其他化學(xué)鍵中的方法，稱為化學(xué)載體，如甲苯（C?H?CH?). 伯克利實驗室的科學(xué)家們正在與學(xué)術(shù)團體和行業(yè)展開合作，設(shè)計耦合系統(tǒng)，將存儲技術(shù)與從中饋送的耗氫設(shè)備集成在一起。

5、利用氫動力的先進燃料電池

除了生產(chǎn)和儲存氫氣，我們的研究人員還建造和測試了燃料電池，這些燃料電池可用于大規(guī)模能源生產(chǎn)系統(tǒng)，以支持電網(wǎng)，以及為零排放汽車供電。

后一個領(lǐng)域的一個關(guān)鍵項目是百萬英里燃料電池卡車聯(lián)盟（M2FCT），這是一個由伯克利實驗室共同領(lǐng)導(dǎo)的多實驗室DOE倡議，旨在推進PEM燃料電池，使其足夠耐用，可用于長途運輸?shù)闹匦涂ㄜ?。M2FCT的成員還對氫動力卡車進行成本分析和生命周期評估，以預(yù)測更換柴油動力卡車的影響。

描述大型卡車影響的四張餅圖。（資料來源：Ahmet Kusoglu）

PEM燃料電池看起來像是反向工作的PEM電解裝置。燃料電池不是用電從水中產(chǎn)生氫氣，而是分裂氫分子，產(chǎn)生自由電子流——可以為發(fā)動機提供動力的電——和質(zhì)子，質(zhì)子穿過膜，然后與從空氣進入電池的氧分子相互作用，形成水蒸氣。目前，一個電池單元可以產(chǎn)生大約300W的功率，足以為五個標(biāo)準(zhǔn)燈泡供電。能夠為汽車或卡車提供動力的燃料電池發(fā)動機由許多堆疊在一起的電池單元組成。

“向氫燃料電池重型汽車過渡將對減少溫室氣體排放產(chǎn)生重大影響，”能源轉(zhuǎn)換小組的科學(xué)家、M2FCT團隊成員Ahmet Kusoglu說。他指出，重型卡車只占美國車輛總數(shù)的一小部分（約5%），但占所有運輸排放量的約25%以上，每年消耗四分之一的燃料。

經(jīng)過幾十年的研發(fā)，用于輕型汽車（如乘用車）的燃料電池發(fā)動機已經(jīng)相當(dāng)先進。但這項技術(shù)不能復(fù)制粘貼到重型車輛上。用于乘用車的燃料電池發(fā)動機被設(shè)計成重量輕、價格實惠，而卡車需要耐用的電池，可以以低運營成本持續(xù)長距離使用——重量和標(biāo)價并不是什么大問題。

Kusoglu和他的同事們的目標(biāo)是了解PEM燃料電池是如何以及為什么退化的，以開發(fā)材料和策略來提高系統(tǒng)的耐用性，使其達到100萬英里的壽命目標(biāo)——這將比目前的燃料電池汽車發(fā)動機的耐用性提高五倍。除了減少交通部門排放的明顯好處外，該計劃還將使燃料電池更容易在各種重型應(yīng)用中實施，從港口設(shè)備、船舶到火車。

“重型汽車市場可能是快速部署燃料電池技術(shù)的途徑，”能源轉(zhuǎn)換小組組長、M2FCT聯(lián)合主任、燃料電池性能和耐久性聯(lián)盟前副主任Adam Weber說，該聯(lián)盟專注于輕型汽車的燃料電池?！斑@將鼓勵建設(shè)所需的加氫基礎(chǔ)設(shè)施?！?/p>

6、構(gòu)建經(jīng)濟和環(huán)境有效的系統(tǒng)

我們的科學(xué)家不僅僅是在設(shè)計氫技術(shù)，并希望它們能在現(xiàn)實世界中發(fā)揮作用。他們使用技術(shù)經(jīng)濟分析（TEA）和生命周期評估（LCA）來研究不同裝置和系統(tǒng)的投入、產(chǎn)出以及環(huán)境和經(jīng)濟影響。TEA和LCA使科學(xué)家能夠研究能源技術(shù)在處于早期開發(fā)階段時將如何在工業(yè)規(guī)模上發(fā)揮作用，并了解技術(shù)組件的變化——例如，切換電解槽中使用的材料——將如何影響成本、性能和供應(yīng)鏈。

Hanna Breunig，可持續(xù)能源與環(huán)境系統(tǒng)部副部長，專門研究氫能系統(tǒng)的TEA和LCA。她還是該實驗室HyMARC工作的聯(lián)合主任。Breunig和她的同事們在本文前面提到的許多項目上進行了合作，并領(lǐng)導(dǎo)了他們自己的研究。

該部門目前的一個分析項目側(cè)重于使用氫氣來限制鋼鐵和煉鋼中化石燃料的使用，這是一個巨大的全球產(chǎn)業(yè)，是二氧化碳排放的重要來源。根據(jù)國際能源署的數(shù)據(jù)，全球鋼鐵生產(chǎn)每年貢獻27.8億噸二氧化碳排放量，即每噸鋼鐵約1.39噸二氧化碳。

這些排放物來自天然氣或焦炭（經(jīng)過加熱以去除雜質(zhì)的濃縮煤），在高溫爐中與鐵礦石（氧化鐵）混合以去除氧氣，從而生產(chǎn)出更多可與碳結(jié)合制成鋼的純凈鐵。天然氣和焦炭與氧氣反應(yīng)形成CO2。

但已經(jīng)設(shè)計了一種替代類型的熔爐，它燃燒氫燃料，以提供從鐵礦石中去除氧氣所需的熱量和電子。由于鋼是鐵和碳的合金，生產(chǎn)過程中總是需要一些碳，但通過改用這種新設(shè)計，所需的總量和對石油產(chǎn)品的依賴可能會大大減少。Breunig說：“當(dāng)我們觀察鋼鐵生產(chǎn)產(chǎn)生的排放時，它們大部分來自于高溫以及還原劑供給，將鐵礦石轉(zhuǎn)化為海綿鐵，然后進行加工。因此，從使用焦炭產(chǎn)品的高爐到使用氫氣和某種碳源的直接還原高爐——可能是生物炭，也可能是生物甲烷——你可以將溫室氣體排放量減少95%以上。”

伯克利實驗室的Breunig和Fabian Rosner正在與科羅拉多州的國家可再生能源實驗室合作，開發(fā)一種供應(yīng)鏈工具，將氫動力熔爐與美國海上和陸上可再生能源電解產(chǎn)生的氫氣連接起來。使用TEA和LCA，他們已經(jīng)確定了工藝改進方向，這些改進將使這種綠色鋼鐵對買家來說更具成本競爭力，并且對氫氣輸送價格的波動不那么敏感。

本文中的研究由美國能源部科學(xué)辦公室和能源效率與可再生能源辦公室資助。