撰文 | 王智镝
编辑 | 郭郭
→这是《环球零碳》的第272篇原创
氢能是公认的清洁能源，作为低碳和零碳能源正在脱颖而出。氢能高热值、低污染、来源广、转换灵活的优势正在得到前所未有的关注。
但是，氢气的储存和运输环境十分苛刻。由于氢的密度非常小，因此氢气需要低温高压才能转化为液体形式并储存。此外，氢是高度易燃和易挥发的物质，容易在空气中被点燃甚至发生爆炸，因此氢气的运输不能像天然气一样简单地通过管道运输，或者像煤和石油一样通过卡车和油轮运输。
此外，昂贵的价格也制约了氢能的发展。纯氢可以在工业上获得，但进行提取和运输过程需要能源和成本。电解和蒸汽重整是氢提取的两个主要过程，需要耗费大量的资金。想要大面积地使用氢能，还需要依赖于廉价、可持续方式的发现。
近日，澳大利亚迪肯大学前沿材料研究所的纳米技术研究人员表示，他们在氢气分离和储存方面取得了重大的突破，找到了一种超高效的方法来机械化学地捕获和保存粉末中的气体，可以从根本上减少石化工业的能源使用，同时使氢气更容易，更安全地储存和运输在粉末中。该研究发表在《今日材料》杂志上。
1
气体吸收到粉末中储存
这种气体分离是靠机械化学方法达成的。机械化学方法指的是由机械力触发的化学反应，而不是由热、光或电势差。在这种情况下，机械力由球磨提供——一种低能量研磨过程，其中含有钢球的圆柱体旋转，使球向上滚动，然后再次下降，粉碎并滚动内部的材料。
图说：行星式球磨机
来源：ndtz
该团队已经证明，用精确的压力水平研磨一定量的某些气体粉末可以触发机械化学反应，将气体吸收到粉末中并储存下来，从而提供一种固态存储介质。这种介质可以将气体安全地保持在室温下。在有需要时，气体能够通过将粉末加热到一定程度进行释放。并且，这个过程是可重复的。
这项新研究的合著者Ian Chen教授表示，他们第一次实验中使用的氮化硼粉末在每个储存和释放周期中只损失“大约百分之几”。
“目前，汽油行业普遍使用低温工艺分离气体，”Chen说。“几种气体聚集在一起，为了净化和分离它们，在非常低的温度下将所有气体冷却到液态，然后一起加热。不同的气体在不同的温度下蒸发，这就是将它们分离出来的方式。”
低温技术是一个高度能源密集型的过程，根据2016年发表在《自然》杂志上的一项研究，仅塑料所需的烯烃丙烯和乙烯的低温蒸馏分离的消耗就占据了全球能源消耗的0.3%。而所有的蒸馏过程消耗的能量占了全球能源使用的10-15%。
迪肯大学团队发现，可以调整其球磨的工艺，也能有效地分离出气体，甚至使用更少的能量。他们发现，不同的气体会在不同的研磨强度，气体压力和时间段被吸收。即使需要将粉末加热到几百度并释放气体所需的能量，该过程也十分高效。
当第一种气体被吸收到粉末中，就可以将其除去，并且该过程可以使用一组不同的参数重新运行，以除去下一种气体。同样的，如果多种气体混合在一起，一些气体会在比其他气体在更高的温度下从粉末中释放出来，这便是第二种分离气体的方法。
在该团队的实验中，他们设法使用氮化硼粉末分离出炔烃、烯烃和石蜡气体的混合物。一些气体在两小时后就能被完全吸收，但一些气体在20小时后仍然只是部分被吸收。Chen表示，这应该只是一个微调的问题：“我们正在继续使用不同的材料研究不同的气体。我们希望很快能有另一篇论文发表，我们也希望与业界合作进行一些真正的实际应用。”
实验表明，20小时研磨过程消耗的电力成本仅为0.32美元。球磨气体吸附过程估计需要消耗76.8 KJ/s能量来分离1000L烯烃/石蜡混合物，这比起低温蒸馏过程的能量消耗少了两个数量级。
这种机械化学过程是绿色的，不会产生任何副产品；与低温蒸馏过程相比，球磨和加热过程具有可扩展性，能耗小；清洁吸附的炔烃或烯烃气体时，氮化硼粉末可以重复使用。这些显著节能和低成本的优势使高效的大规模气体分离成为可能，有机会在全球范围内做出巨大贡献。
图说：含有单一烯烃气体和单一石蜡气体的混合物的球磨和加热分离过程示意图。
来源：[1]
2
固态储氢，另一个潜力巨大的领域
新的气体分离技术本身就是一个相当大的进步，但该团队还发现了一种创新的储存和运输氢气的方式，那就是将气体安全地储存在粉末中。
目前，纯氢要么以气体形式储存，要么以低温液体的形式储存。气态必须储存在正常大气压700倍左右的压强环境下，这意味着需要输入大量的能量才能压缩它，并且它需要能够安全地处理大压力负载的储罐。液体形式必须在大气压下冷却至氢的沸点（−252.87°C），并且要保持低温，这就需要更多的能量。
图说：储存氢气的重型设备
来源：[1]
“科学界一直在试图找到一种合适的海绵型材料，可以在至少半个世纪中储存大量的氢气，”Chen说。“我们最近报道的技术是用石蜡，但我们可以储存更多的氢气。它不需要很多能量，而且很安全；在正常条件下，它非常稳定，除非将其加热到几百度，否则氢气不会释放出来。因此，这确实有希望成为一种实用的固态存储技术——不仅用于氢气，还适用于氨和其他燃料气体。”
虽然将粉末加热到几百度听起来像是一个耗能过程，但Chen说，从气体到粉末再到气体的过程使用的能量远远少于压缩气体。由于氢气安全地储存在粉末中，因此可以非常安全地移动和储存。
这或许是一种值得重视的运输大量氢气的方式，因为它比气体或液体更便宜，更容易处理，并且释放气体需要的设备非常简易。
Chen表示，这种粉末可以储存氢气重量的百分比在6.5%左右。“每一克材料将储存约0.065克氢气，”他说。“这已经超过了美国能源部设定的5%的目标。就体积而言，每一克粉末，我们希望在那里储存大约50升的氢气。
每克五十升氢气听起来有些不可思议，但在大气压下，氢气的密度比压缩在罐中的压力低467倍。因此，每克粉末实际上将储存的氢气相当于0.11升压缩后的氢气。
氮化硼很容易在工业数量上获得，而且相对便宜，但Chen说该技术也应该与其他材料一起使用。“我们不仅限于氮化硼，”他说，“我们只是用它作为一个例子，你也可以使用石墨烯。并且，我们正在继续研究其他材料。”
Chen表示，必须证明通过粉末储存氢气是便宜且方便处理的，以让这项技术能够商业化。“我们真的希望与一些卡车公司合作，”Chen说，“因为我们的存储远远高于目前的最佳结果。我们希望与他们合作，看看在使这项技术在车辆中发挥作用可能面临哪些挑战。在这方面，我们需要行业支持。”
显然，这项技术具有广阔的发展前景，可以极大地促进能源使用、减排、绿色能源转型，甚至降低燃料和化学品价格。该团队已经提交了临时专利申请，相信在不久的将来，便能看到固态储氢为“双碳”目标作出贡献。
