氢：从恐怖核弹到未来能源

马栏山

普通人眼中的氢

地球上的氢

气球销售员卡尔从小就想成为一名探险家，去南美洲的“仙境瀑布”探险。但是直到78岁高龄，他才下定决心完成自己一生的夙愿，他在自己的屋顶系上成千上万个五彩缤纷的氢气球，飞向梦想中的“仙境瀑布”……

这是动画电影《飞屋环游记》的故事，气球之所以能升到高空，是因为里面填充的氢气密度远小于空气。空气中的氢气是很少的，那我们是怎么发现它的呢？

400多年前，好多医生就在无意中提取到氢气了，那时候他们发现金属落到酸里面，会有一些氣体产生，这种气体是可以燃烧的。英国化学家普利斯特里就很喜欢用氢气的燃烧特性来作弄朋友。他用排水集气法把氢气收集在试管里，当朋友来访时，他在试管口一点火，试管立马吐出长长的火舌，并发出震耳欲聋的爆炸声，将他的朋友们吓一跳，他给这种小玩意取了一个外号叫做“爆鸣气”。

同一时间，英国化学家卡文迪许也在研究氢气，不过卡文迪许作为一个将科学实验作为毕生挚爱的宅男，他可不像普利斯特里那样只把氢气作为恶作剧的道具，经过多次实验，卡文迪许发现了氢气的一些属性，据此我们认为他是氢气的发现者。

卡文迪许用铁和锌等与盐酸及稀硫酸反应的方法制取氢气，他发现，用一定量的金属与酸作用，所产生的氢气量总是固定不变的，与酸的种类和浓度无关。他还发现，氢气与氧气混合可以燃烧，而2毫升氢气与1毫升氧气燃烧后恰好得到水，这就是其他人没有发现的燃烧背后的秘密。遗憾的是，因为认识不够深入的关系，卡文迪许没有意识到自己发现了新元素，几年后法国化学家拉瓦锡重复了卡文迪许的实验，确认了可燃气体是一种新的元素，并命名为氢，意思是“成水元素”，至此氢才有了大名。

虽然发现了氢元素，但是我们对氢的了解在很长一段时间里还是停留在“比空气轻，可以燃烧，但是提取麻烦”这样简单的认识里，因为在地球上，独立存在的氢（即氢气）实在是不多。泥土中约有1.5%的氢气，空气的成分中，氢气仅占二百万分之一，地球上绝大部分的氢都以化合物的形式存在于水中。

既然氢的存在感这么低，被科学家忽略也是很正常的吧，但是当人们冲出地球，走向宇宙的时候，这种认知被完全颠覆了，宇宙中最多的元素就是氢！

太空里的氢

宇宙是浩瀚而美妙的，那里有梦幻般的星云、巨大而炽热的恒星、充满谜团的黑洞，还有数不清的像地球一样的行星们。

但是如果从元素的层面看，宇宙又是单调的。因为在整个宇宙中，氢和氦两种元素就占了所有元素总质量的98%，而氢元素就占了这之中的75%。如果按照原子数量而言，氢原子则占了所有原子总数的88.6%以上，也就是说，氢元素在宇宙中几乎无处不在！

这么说也许还不够体现氢元素的重要地位，事实上，氢元素可以说是元素之母和地球之母。

目前最主流的宇宙起源学说——宇宙大爆炸认为，构成当今世界所有的物质来自一个高密度高温度的原始核的大爆炸，大爆炸后宇宙产生了中子，中子衰变成质子和电子，质子捕获周围经过的电子形成了一个稳定的电中性原子，这就是最简单的氢原子。

众多的氢原子在引力作用下不断聚集在一起，在压力达到足够大的时候，四个氢原子开始聚合成一个氦原子，这个聚合反应是非常复杂的，最终会释放出大量的能量，在氢的燃烧中，第一代恒星诞生了。这些恒星就如同元素加工厂一样，把氢元素作为原料，不断地聚变成氦和更重的元素，直到形成26号元素铁。越大的恒星燃烧的速度越快，消亡得也就越快，足够大的恒星在死亡的时候，会进行一次超新星爆发，变成一颗中子星或者黑洞，同时产生的巨大压力和热量使得更重的元素诞生了，比如79号元素金。氢的燃烧“生出”了后面的众多元素和物质，可谓是名副其实的元素之母。

从宏观层面来看，说太阳是地球之母应该没有人能反对，我们赖以生存的能量都是太阳提供的，但太阳提供的能量其实也来自于氢。

太阳中含有极其丰富的氢元素，按质量计约占太阳总质量的71%，在太阳内极高温（1500万度）和极高压（2000亿个大气压）的环境下，氢核聚变成氦核，同时释放出巨大的能量，这其实就是氢弹的原理。不同于氢弹的是，太阳内部还有“自控”机制，一轮聚变后，太阳的温度升高，驱动全是气体的星体膨胀，这就反过来导致太阳的温度压强降低，从而降低了聚变速率，这样能量就不会瞬时释放，导致毁灭性的爆发。

太阳没有一下子就把自己炸完，而是持续“可控”地释放能量，这才给地球生物进化繁衍提供了机会，太阳上的氢是地球之母，这样说也无可辩驳吧。

科学家眼中的氢

小氢气有大能量

虽然我们不敢像《飞屋环游记》里只凭小小的氢气球飞越大半个地球，不过气球确实给我们的童年带来了许多的乐趣，我们也曾经被这样的“噩梦”困扰，一旦不小心松手，气球就会晃晃悠悠越升越高，直到够不着;即使气球可以“安全”回到家中，第二天也会变得“面目全非”，由一个圆乎乎的大西瓜变成皱巴巴的小橘子……

小时候我们不知道为什么气球具有这样的“魔力”，长大后才知道这与氢气的性质有关。当然，由于氢气遇明火会发生爆炸，越来越多的人呼吁不要使用氢气给小朋友们玩的气球充气。

可是氢气的能量可远远不止填充气球而已。氢气燃烧时火焰可以达到3000℃左右，工业上常利用此反应切割和焊接金属;高温环境下，氢可以将金属氧化物还原成纯金属;往普通植物油中加氢可以得到氢化植物油，我们常用的奶精、奶油和代可可脂等都是这样制成的;氢气还有医学作用，研究表明，吸入2%的氢气可以有效清除对人体有害的自由基，可治疗炎症损伤、心脏移植后损伤和慢性肾病等。

像太阳内部发光发热的反应一样，氢的同位素（具有相同质子数、不同中子数的元素）氘、氚等原子的原子核发生核聚变反应，会瞬时释放出巨大能量，根据氢的核聚变原理，我们制造出了威力远大于原子弹的核武器——氢弹。这是目前我们能制造出来的威力最大的热武器，也是我们能获得的最大的能量。只是我们还无法控制好氢弹能量的释放，如果有一天我们能找到像太阳一样可以随着反应的进行扩大或缩小体积，从而调控反应体系内的温度和压力的容器，实现氢能的可控释放，那在很长一段时间内我们就不再需要担心能源耗竭的问题了，毕竟氢原子在宇宙中可谓是取之不尽的。

利用氢核聚变的能量目前看起来还是一个遥远的难以实现的梦想，但是将氢气像天然气一样储运、并将其燃烧供能已经在逐步商业化中了。

氢气储运是个难题

我们现在已经有好几种方法能够得到廉价的氢气：从工业副产物中提取氢气;利用煤炭、天然气等化石能源制取氢气;利用来自生物的甲醇甲烷制取氢气;利用风能、太阳能发电来分解水等。这些方法得到的氢气可以说是大量而廉价的，真正的问题在于，氢气作为一种又轻又易泄漏还“易怒暴躁”的气体，我们如何安全又高效地储存和运输它呢？

因为密度小的缘故，氢气渗透性很强，常温下就可透过橡皮和乳胶管，而在高温下可透过钯、镍、钢等金属薄膜。不仅如此，在高温、高压下，氢原子还可以渗透到钢的晶格中，导致钢瓶脆化开裂。氢气的这种性质给氢气的储存和运输带来很大困难。为了解决这个问题，科学家们主要从两个方面考虑，一个是储氢技术，另一个就是储氢材料。

加压和降温是储氢技术最开始考虑的方向。高压气态储氢是目前最常用的储氢技术，原理是采用高压将氢气压缩到一个耐高压的容器里，主要用的容器有纯钢制金属瓶、钢制内胆瓶、铝内胆瓶及塑料内胆瓶4个类型，车载储氢瓶大多使用后两种容器。低温液态储氢是在高压、低温的条件下使氢气液化再储运液态氢，储运效率更高且可以防止泄漏。

不过上述两种技术都需要高压，储氢罐除了制造难度大，成本高昂外，还存在易爆炸的安全隐患。液态储氢成本很高，要液化1千克的氢气就要消耗4～10千瓦时的电量。

中国找到了一种更好的方案，常温常压储氢，2016年9月中国运营的氢能公共汽车“泰歌号”正是使用了这个技术，采用特殊溶液吸收氢气，平常可以稳定储存，加入催化剂便可释放氢气，溶液可重复使用2000次。整个过程不用加压降温就可以完成，大大提高了安全性。

寻找储氢量大、安全高效、成本低廉的储氢材料是储运氢气的另一个方向，金属合金、碳纳米材料是目前研究最多的储氢材料。金属合金具有特殊的晶体结构，使得氢原子容易进入其晶格的间隙中并与其形成金属氢化物。其贮氢量可达金属本身体积的1000～1300倍。氢与这些金属的结合力很弱，一旦加热和改变氢气压强，氢即从金属中释放出来。碳纳米材料颗粒小、比表面积大，氢原子可以结合的面积显著增多，不过这个材料成本较高，还在实验室研究阶段。

直接储运和将氢气像天然气那样燃烧供能还是存在一定的安全问题，因为氢气实在太轻和太易泄漏，更可怕的是如果氢气在空气中浓度达到4%～75%，只要有一点明火就会发生爆炸。如果在一个狭小的空间里使用氢气罐，比如厨房或者地下隧道等，从氢气泄漏到发生爆炸的整个过程中，人的逃生时间只有1秒！想将氢气推广起来，需要寻找更安全的方法。

氢能源的新形态

氢气作为燃料，主要还是通过氢燃料电池，将化学能转化为电能。燃料电池可以使富氢燃料氧化，转化为有用的能量而不会在明火中燃烧，这比起直接燃烧氢气更加安全，而且与内燃机燃烧做工时的30%的效率相比，氢燃料电池的转化效率更高，可达32%至70%。当然即使将氢气的能量转化成电能，还是逃不掉氢气的储运问题，再加上氢燃料电池需要使用贵金属铂作为催化剂，目前市面上使用氢燃料电池的汽车还是少数的。

太空中有大量氢元素。太阳系中最大的行星——木星，表面是一层3000千米厚的主要成分是氢气的大气，在大气层下面，是一层很厚的液氢层，而核心是液态金属氢层。木星的核心，压力大到我们难以想象的程度，原子与原子之间的距离已经被压缩到了很小的地步，氢原子的每个原子核周围都围绕着十几个来自其他氢原子的电子，这时候这些电子就可以像金属中的电子一样，在原子核的间隙中自由穿行，被各个原子核“共享”，这样就形成了金属氢。受木星的“启发”，科學家在地球的实验室里也成功将氢气“变成”了金属（详见后文《氢气也能“点气成金”》）。

我们研究氢能源还有一个深层的考虑，太空中不是有很多氢气吗？在我们向太空进发的征途中，如果飞船燃料耗尽了，可不可以就地取材，将氢气作为燃料？如果这个想法能实现，冲出太阳系也许就不再仅仅是一个梦想了。1960年，美国物理学家巴萨德提出了一种冲压发动机，他在飞船头部设计了一个巨大的漏斗，其中有一个巨大的磁场，用以将星际尘埃粒子收集起来，传递到发动机内部，作为核聚变发动机的原料，将核能作为飞船前进的动力。

当然这个想法直到现在我们都还无法实现，先不说核聚变还达不到可控的程度，单是我们收集到的星际尘埃粒子是什么性质我们都还没有了解透彻，比如说最近科学家在NGC 7027这个年轻的行星状星云里发现的氢氦正离子，它就是一种目前我们已知的“宇宙最强酸”，我们现在没有什么容器可以容纳这个离子而不被腐蚀。这样控制不了的粒子在宇宙中可能还有很多，我们可不能轻易把它们作为燃料。

小小的氢气具有大大的能量，但是如何更安全高效地使用，我们还需要长长的时间慢慢去了解。