韓國氫能重大突破！1升容器裝進2升液氫，神祕魔法曝光！

你能不能在一升水的空間裏，存儲兩升的水？你可能會說，這怎麼可能？絕對不可能！然而最近，韓國科學家卻真的在一升液氫的空間裏，存進了兩升多的液氫，被認爲是儲氫領域的重大突破和範式轉變，甚至可能帶來氫能源的重大進步，人類或將進入真正的氫時代。然而，這項突破真的有如此重大的意義嗎？

韓國這項突破來自蔚山國家科學技術研究所吳賢哲（Hyunchul Oh）教授領導的團隊，他們合成了一種叫納米多孔鎂硼氫化物 (Mg(BH4)2)的新材料，可以在每升體積中儲存144克氫，而氫氣在液化後每升也只有70.8克，即使在更低的溫度下成爲固態氫，一升也只有86克，這意味着這種材料竟然硬塞進了一倍多的氫氣，它究竟是怎麼做到的呢？

很多朋友可能都知道，氫能源汽車之所以在和電動汽車競爭中逐漸勢微，敗下陣來，馬斯克甚至說它是一種非常愚蠢的技術，關鍵就在於制氫和儲氫的困難。氫氣是分子量最小的氣體，體積小，密度低，常溫常壓下1升氫氣只有0.0899克，這意味着存儲相同質量的氫氣需要比其他物質更大的體積。

而氫氣的沸點極低，爲-252.87℃，要存儲液態氫，需要極低的溫度和很高的壓力，導致存儲運輸成本和難度的增加，以及巨大的能源消耗。並且氫氣易燃易爆，空氣中含量從4%到75%的寬範圍內，遇到火星就會發生爆炸，比天然氣的5%到15%寬得多，而它的分子又很小，非常容易從容器中泄漏，所以安全風險非常大。

目前氫氣存儲主要有高壓氣瓶、液氫儲罐、金屬氫化物、碳納米管等。高壓氣瓶和液氫儲罐技術較爲成熟，但存在體積大、重量重、成本高等問題，並且安全隱患明顯。比如豐田最新推出的氫燃料電池車，2024款Mirai，可以加氫5.6公斤，續航650公里，但氫氣重量僅佔碳纖維高壓儲罐的6%，並且遇到加氫站氣壓不足，還達不到5.6公斤，續航也會大打折扣。

而金屬氫化物和碳納米管儲氫具有較高的密度和安全性，但仍處於研發階段，成本較高，還沒有大規模應用。韓國科學家的突破就是金屬氫化物儲氫，此前已有研究用氫化鎂來存儲液氫，理論上可以達到每升106克，按重量算是7.6%，已經超過了70MPa的儲氫罐，但實驗室水平只有5.5%左右，並且氫化鎂的脫氫反應需要較高的溫度和催化劑，導致脫氫過程能耗較高，且脫氫速率較慢，影響了充放氫效率。

金屬氫化物儲氫，是一種利用金屬與氫氣可逆反應來儲存氫氣的技術。金屬在吸收氫氣後形成金屬氫化物，釋放氫氣時則分解爲金屬單質，具有儲氫密度高、安全性好、來源廣泛的優點。

在分子機制上主要又有兩種方式，一種是化學鍵合，金屬離子與氫原子通過化學鍵結合，形成金屬氫化物。一種是物理吸附，氫分子通過物理作用（如範德華力）吸附在金屬氧化物表面，物理吸附的結合能較弱，氫氣更容易脫附。

韓國科學家使用的就是物理吸附，他們在室溫惰性氣氛下，用二丁基鎂 (Mg(n-Bu)2) 和甲基硫醚硼烷複合物 ((CH3)2S·BH3)) 的甲苯溶液製成鎂硼氫化物晶體，通過中子粉末衍射、體積氣體吸附、非彈性中子散射和第一性原理計算分析，獲得了這個驚人的結果。那麼這個鎂硼氫化物，爲什麼能存儲超乎異常多的氫氣呢？

這是因爲鎂硼氫化物是一種多孔納米材料，孔隙內部的氫原子帶有部分負電荷，這就像形成了一層層有吸引力的氫骨架，可以吸引外面氣體分子進入。這些線性通道的空隙體積約佔33%，直徑約爲9埃米，也就是10億分之9米，最小開口爲5.8埃米，可以吸引3.6埃米的氮氣分子和2.9埃米的氫氣分子。

在吸引氮氣分子時，科學家們發現氮氣分子固定在空隙中心，每個空隙只能吸附一個氮氣分子。剛開始科學家們以爲氫氣分子也是這樣，但實驗和研究發現，在靜電力和範德華力的共同作用下，五個氫氣分子會相互吸引，排列成三維空間的五氫簇結構，就像在抱團取暖一樣，剛好可以佔據同一個空隙，大大提高了氫氣在孔道內的體積密度，從而可以實現更高的儲氫能力。

有些朋友看到這裏可能還是不能明白，70.8克液氫就會佔據1升的空間，爲什麼1升的多孔鎂硼氫化物，不但不佔用空間，裏面反而會裝下144克氫呢？這是因爲液氫分子間還是有一定間距，而它們進入鎂硼氫化物骨架後，由於5個氫分子抱成一團，形成了更緊密的結構，所以就可以容納更多的氫氣了。就像很多人擠公交車，在車站上你們可能隨隨便便，鬆鬆散散，看起來一大羣烏合之衆，但一旦公交車來了，再怎麼擠，你們恐怕也會擠上去。

科學家們認爲，這一發現解決了大規模儲氫的關鍵挑戰，是一項突破性的發現，將帶來儲氫領域的範式轉變。再加上這種儲氫不用高壓罐，更加安全，儲氫翻倍里程也翻番，Mirai可以直接跑1300公里，你可能會覺得，科學家們終於守得雲開霧散，氫能源的春天就要來了，人類就要進入氫時代了。

然而這還只是實驗室中的數據，並且它的質量分數爲21.7%，也就是說總重量只有21. 7%是氫氣，和現在航空系統低溫冷卻30%的質量分數相比還有一定差距，這意味着在氫動力飛機上它可能還沒有什麼用武之地，然後在氫動力卡車上，鎂硼氫化物可能是比較好的解決方案，在靜態能量存儲上則可能是最好的。但鎂硼氫化物仍然還面臨一個問題，那就是它的脫氫能力如何，這決定了它的充放氫速率，還有它的工作溫度和壓力變化有什麼影響，各種過程中能量損失如何等等，這些都還是未知數。

另外氫存儲只是挑戰的一個方面，更大的挑戰是氫的生產。

氫氣一直被認爲是人類的終極能源，宇宙中任何一個先進文明，最終可能都會演化到使用氫能源。邏輯很簡單，氫是宇宙中最豐富的元素，佔了整個宇宙質量的75%，除氦以外的所有元素，幾乎都來自於氫的燃燒。即使是地球最大的能量來源——陽光，也是來自於太陽的氫聚變。

而我們現在能利用的氫能源，還只是最簡單的化學能，但即使如此，也是非常困難，舉步維艱，原因很簡單，氫太活躍，地球上幾乎沒有單質存在，要從其他化合物中把它分離出來，需要付出巨大的能源代價。從煤炭天然氣製造的黑氫灰氫，到電解水製造的綠氫，成本高達每公斤9到40元，而且多年來進展不大，這意味着即使解決了氫存儲問題，氫生產仍然是一個大問題。

該研究發表在2月6日《自然化學》雜誌上。

論文標題：Small-pore hydridic frameworks store densely packed hydrogen