氢气“万花筒”

氢元素——宇宙的“元老”

对于宇宙的起源，目前学界普遍认同“大爆炸宇宙论”，即137亿年前，一个致密炽热的奇点在一次大爆炸中膨胀形成宇宙。那时，宇宙中只有氢元素和氦元素，其他元素均还没有形成。从这个意义上说，氢元素可谓整个宇宙的“元老”。即使后来宇宙中又产生了其他众多元素，氢元素依然举足轻重——它广泛存在于宇宙的各个角落，其原子总数量占宇宙的90%、总质量占宇宙的75%。

不过，氢元素的化学结构过于单一，这使它成了“爱交朋友”的元素。单质形态的氢几乎仅在大气中存在，其余的氢往往与其他元素相结合，以化合物形式存在，例如水（H2O）。

氢能——新能源的热门选手

氢气无色无味、极易燃烧。在化学课上，你可能学过氢气燃烧的化学方程式：

2H2（氢气）+O2（氧气）=  2H2O（水）

通过上面这个化学方程式，我们可以看出，氢气的燃烧产物只有水。燃烧过程中还会释放巨大的能量——这种能量便是氢能。也就是说，氢能是通过氢气与氧气燃烧获得的，在这个过程中不会产生大气污染物，因此，氢能是一种零排放的清洁能源。

氢原子是水分子的主要构成部分。地球的水资源丰富，由此可知，氢在地球上的分布非常广。据估计，如果海水中的氢被全部提取出来（关于电解海水制氢，详见《知识就是力量》2023年6月刊），其燃烧产生的总热量将是地球上所有化石燃料释放热量的9000倍。燃烧热值高、可持续性强、储量丰富、零污染——这些优势，使氢能成为新能源中的“热门选手”。

“五彩缤纷”的氢能家族

要实现“氢能自由”，首先要实现“氢气自由”。目前，人类使用的氢气大多需要人工制备，即从含氢化合物中获取氢气，包括化石燃料制氢、电解水制氢、含氢尾气副产氢回收、高温分解制氢等方式。

根据生产氢能的技术路线和碳排放情况，工业界用颜色对各种类型的氢能进行命名，用以区分。从黑氢到绿氢，氢能制备方法对环境造成的污染依次降低。

矿石产氢的魔法

天然氢气的形成主要包括生物成因（例如有机物的分解和发酵）和非生物成因（例如水-岩反应、水的辐射分解），其中非生物成因具有重要优势。

水是地球内部各圈层物质交换的载体。科学家发现，水-岩反应会改变岩石的化学成分和外观。蛇纹石化是地球上最重要的水-岩反应之一，它是指在某种温度、压力条件下，地幔中的橄榄石或辉石等镁铁质矿物与水相互作用，发生水热蚀变，进而产生蛇纹石等矿物的热液变质作用。氢气是橄榄石或辉石蛇纹石化反应的副产品，因此，蛇纹石化是天然氢气的主要来源之一。

利用这种产氢原理，人们可以人为让矿物发生蛇纹石化，从而获得氢气。目前，已经有科研团队尝试将水泵入地下，让水与富含镁铁质的矿物相互作用，引起蛇纹石化，产生氢气。

作为一种清洁能源，氢能向我们描绘出一幅绿色的未来图景。你能想到氢能的哪些利用方式呢？欢迎扫码告诉知力君！

知识拓展

氢能发展史

氢能虽然是一种新能源，但人类对它的认识、利用已有数百年时间。人类对氢能的认识与人类科技史同步成长，主要可分为概念认知、探索应用和市场推广三大阶段。

1520年，瑞士炼金术士帕拉赛尔苏斯发现了氢；1783年，法国工程师雅克·查尔斯利用氢气首次实现了无人氢气球飞行，这中间相隔了263年。

进入了21世纪后，科学技术的迅速发展带动了氢能利用的巨大进步，人类对氢能的利用进入了市场推广阶段。氢能的地位逐渐上升，世界上的许多国家均将氢能视为能源转型的重要战略选择。

在中国，氢能产业逐渐走上“快车道”，氢能已被明确为未来中国能源体系的重要组成部分，中国成了全球最大的制氢国。氢气的资源潜力和研究价值将进一步提升，对支撑中国“双碳”目标实现具有关键意义。