氨里储氢 让地球更美好

学过初中化学的人都知道，水是由氢和氧两种元素组成，水经过电解生成氢气和氧气，氢气燃烧后又生成水且放出大量热能。理论上，氢可以成为取之不尽、用之不竭的绿色能源。

我们知道，电能不易储存。不论是风力、水力、火力发电，还是核能、太阳能发电，其产生的电能一旦并网，如果不用会很快被浪费，这就是工业上波峰波谷电价差异大的根本原因。有的国家为了储存电能，采取从低处向高处抽水把电能转换成势能的办法避免浪费。

我很不理解，为什么不把多余的电能用来电解水，生成氢气和氧气，氢气燃烧再产生热能，能量利用率岂不更高？老师说，理论上确实可以，但问题是氢气分子量小，不易压缩，液化困难，储存和运输难度很大。

为解决这个问题，现在世界上很多科学家都在研究储氢材料，如果能取得突破，解决氢的储存和运输难题，我们便可以彻底摆脱化石能源，迎来一个清洁环保的氢能时代，困扰全球的温室效应问题也能得到根治。

老师的话使我对氢能和储氢材料产生了浓厚兴趣。我上网搜索储氢材料，发现这真是一个热门话题。我经过认真阅读思考后发现，目前的储氢材料文献上一般分为金属储氢材料、碳质储氢材料、有机液体储氢材料三大类，每类又有众多分支。

金属储氢材料有镁系、稀土系、钛系、锆系等类别；碳质储氢材料有超级活性炭、碳纳米管等类别；有机液体储氢材料则分为烯烃、炔烃、芳烃等类别。但就其储氢机理而言，无外乎物理吸附、化学反应（或络合）两大类。我认为，单纯的物理吸附，其储氢能力有限，难以达到实用化要求，从化学角度考虑选择储氢材料则更有价值。

储氢材料的选择应主要考虑能量密度、储运安全方便等因素。国际能源协会(IEA)规定，未来新型储氢材料的标准为在低于373K吸氢容量大于5%（质量分数）。目前的储氢材料都是着眼于氢气的吸收和释放，介质主要为液态或孔状固态，以尽量提高储氢质量分数。研究较多的液体储氢介质环己烷和甲基环己烷，其理论储氢质量分数分别为7.19%、6.16%。

受此启发，我想到了三种理论储氢质量分数更高的化合物：乙硼烷（B2H6）、甲烷（CH4）、氨（NH3）。这三种化合物，其理论储氢质量分数分别为23.08%、25%、17.65%，但它们是否适合做储氢材料呢？我查阅相关资料发现，乙硼烷室温下不稳定，且有剧毒，纯乙硼烷难以单独储存运输，因此首先排除了用乙硼烷作为储氢材料的可行性。甲烷是储氢质量分数最高的化合物，而且工业上也确有用甲烷分解制氢和炭黑的工艺，但也被排除了。一是因为甲烷本质上也是化石能源；二是因为甲烷液化较难，工业上主要是运输压缩气体，其体积能量密度较低；更重要的是因为，甲烷制氢的条件苛刻，需在隔绝空气并加热至1000℃的条件下反应，作为储氢材料其分解温度太高。

那么，氨作为储氢介质，其可行性又如何呢？我注意到一篇报道，丹麦学者开发了一类新的金属氨络合物储氢材料,其分子式可用M（NH3）nXm表示（M=Ca、Mg、Cr、Ni、Zn；X=Cl、SO4）,其中 Mg（NH3）6Cl2可以氨的形式储存9.1%质量分数的氢，其分解时是先放出氨，再用氨分解催化剂释放出氢，这号称是一个在储氢质量分数上有突破的成果。既然如此，我们用氨本身作为储氢材料，再配套氨分解催化装置，岂不事半功倍？我发现有人曾提出过用液氨做储氢材料的思路，但没有得到足够的重视。

经过对比分析，我认为，氨是当前最好的储氢材料，主要基于以下考虑：

首先，从键能角度考虑，氨作为储氢介质具备很高的能量密度。初中化学中我们学过，氨是由氮气和氢气在较高的温度和压力下合成的，氨合成虽然放热，但热焓较低。化学反应是可逆反应，氨合成条件苛刻，但催化分解成氮气和氢气却比较容易，使用氨分解催化剂，可在620K以下的温度使之完全分解为氢气和氮气。我计算发现，每2摩尔氨分解为1摩尔氮气和3摩尔氢气仅需要80千焦的能量，而产物3摩尔氢气燃烧成水，却可以释放1257千焦的能量。因此，用氨做储氢材料能效比很高。

其次，氨虽然是气体，但极易液化，储存、运输均很方便。在常压下冷却至-33.5℃或在常温下加压至700KPa～800KPa，气态氨就液化成无色液体。液氨的密度为0.617g/cm3，其体积储氢密度远大于目前报道过的任何液态储氢材料。

再次，用氨本身作为储氢材料，储氢的质量能量密度、体积能量密度与目前报道的储氢材料相比都有极大提高。而且，目前报道的储氢材料，大多需要通入氢气，而氢气无色无味，泄露难以发现，且爆燃范围宽，难以液化，建设大量加氢站是难题。用氨作为储氢材料，一是氨有刺激性气味，泄露极易被发现；二是氨极易液化，运输便捷；三是目前遍布全球众多的加油站经过改造，完全可变成加氨站。无论从经济角度还是风险角度考虑，此方法显然更可行。

另外，从环保角度考虑，氨完全分解产物是体积比为3：1的氢气和氮气，氮气是空气的主要成分，不会给环境造成任何污染。另外，氨在纯氧中燃烧，其产物为氮气和水，如能规避催化氧化因素（催化氧化会产生氮氧化物，污染环境），其本身也可作为燃料。

综上所述，我认为氨是当前最好的一种储氢材料。

由于学识所限，也许用氨做储氢材料还有许多问题要解决，比如，如何开发新型催化剂在更低的温度下使氨分解，如何使氨彻底分解不造成环境污染等。我相信，事在人为，只要努力钻研，这些问题都会得到解决。

另外，有一种理论认为，氢在极高压力下，会转变成可稳定存在的氢金属。2017年1月，美国哈佛大学曾宣布制出了地球上首块金属氢，但之后由于操作失误，金属氢样本消失了。如上述研究属实，金属氢在未来可以低成本大量制备，则金属氢无疑会成为终极储氢材料。

展望未来，希望有一天，能看到水能、风能、太阳能产生的富余电能可以安全迅速地转化为氢能，让氢这种绿色环保能源完全取代目前的化石能源，让我们的地球彻底和温室效应说再见！