氨里儲氫 讓地球更美好

學過初中化學的人都知道，水是由氫和氧兩種元素組成，水經過電解生成氫氣和氧氣，氫氣燃燒后又生成水且放出大量熱能。理論上，氫可以成為取之不盡、用之不竭的綠色能源。

我們知道，電能不易儲存。不論是風力、水力、火力發電，還是核能、太陽能發電，其產生的電能一旦并網，如果不用會很快被浪費，這就是工業上波峰波谷電價差異大的根本原因。有的國家為了儲存電能，采取從低處向高處抽水把電能轉換成勢能的辦法避免浪費。

我很不理解，為什么不把多余的電能用來電解水，生成氫氣和氧氣，氫氣燃燒再產生熱能，能量利用率豈不更高？老師說，理論上確實可以，但問題是氫氣分子量小，不易壓縮，液化困難，儲存和運輸難度很大。

為解決這個問題，現在世界上很多科學家都在研究儲氫材料，如果能取得突破，解決氫的儲存和運輸難題，我們便可以徹底擺脫化石能源，迎來一個清潔環保的氫能時代，困擾全球的溫室效應問題也能得到根治。

老師的話使我對氫能和儲氫材料產生了濃厚興趣。我上網搜索儲氫材料，發現這真是一個熱門話題。我經過認真閱讀思考后發現，目前的儲氫材料文獻上一般分為金屬儲氫材料、碳質儲氫材料、有機液體儲氫材料三大類，每類又有眾多分支。

金屬儲氫材料有鎂系、稀土系、鈦系、鋯系等類別；碳質儲氫材料有超級活性炭、碳納米管等類別；有機液體儲氫材料則分為烯烴、炔烴、芳烴等類別。但就其儲氫機理而言，無外乎物理吸附、化學反應（或絡合）兩大類。我認為，單純的物理吸附，其儲氫能力有限，難以達到實用化要求，從化學角度考慮選擇儲氫材料則更有價值。

儲氫材料的選擇應主要考慮能量密度、儲運安全方便等因素。國際能源協會(IEA)規定，未來新型儲氫材料的標準為在低于373K吸氫容量大于5%（質量分數）。目前的儲氫材料都是著眼于氫氣的吸收和釋放，介質主要為液態或孔狀固態，以盡量提高儲氫質量分數。研究較多的液體儲氫介質環己烷和甲基環己烷，其理論儲氫質量分數分別為7.19%、6.16%。

受此啟發，我想到了三種理論儲氫質量分數更高的化合物：乙硼烷（B2H6）、甲烷（CH4）、氨（NH3）。這三種化合物，其理論儲氫質量分數分別為23.08%、25%、17.65%，但它們是否適合做儲氫材料呢？我查閱相關資料發現，乙硼烷室溫下不穩定，且有劇毒，純乙硼烷難以單獨儲存運輸，因此首先排除了用乙硼烷作為儲氫材料的可行性。甲烷是儲氫質量分數最高的化合物，而且工業上也確有用甲烷分解制氫和炭黑的工藝，但也被排除了。一是因為甲烷本質上也是化石能源；二是因為甲烷液化較難，工業上主要是運輸壓縮氣體，其體積能量密度較低；更重要的是因為，甲烷制氫的條件苛刻，需在隔絕空氣并加熱至1000℃的條件下反應，作為儲氫材料其分解溫度太高。

那么，氨作為儲氫介質，其可行性又如何呢？我注意到一篇報道，丹麥學者開發了一類新的金屬氨絡合物儲氫材料,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可以氨的形式儲存9.1%質量分數的氫，其分解時是先放出氨，再用氨分解催化劑釋放出氫，這號稱是一個在儲氫質量分數上有突破的成果。既然如此，我們用氨本身作為儲氫材料，再配套氨分解催化裝置，豈不事半功倍？我發現有人曾提出過用液氨做儲氫材料的思路，但沒有得到足夠的重視。

經過對比分析，我認為，氨是當前最好的儲氫材料，主要基于以下考慮：

首先，從鍵能角度考慮，氨作為儲氫介質具備很高的能量密度。初中化學中我們學過，氨是由氮氣和氫氣在較高的溫度和壓力下合成的，氨合成雖然放熱，但熱焓較低。化學反應是可逆反應，氨合成條件苛刻，但催化分解成氮氣和氫氣卻比較容易，使用氨分解催化劑，可在620K以下的溫度使之完全分解為氫氣和氮氣。我計算發現，每2摩爾氨分解為1摩爾氮氣和3摩爾氫氣僅需要80千焦的能量，而產物3摩爾氫氣燃燒成水，卻可以釋放1257千焦的能量。因此，用氨做儲氫材料能效比很高。

其次，氨雖然是氣體，但極易液化，儲存、運輸均很方便。在常壓下冷卻至-33.5℃或在常溫下加壓至700KPa～800KPa，氣態氨就液化成無色液體。液氨的密度為0.617g/cm3，其體積儲氫密度遠大于目前報道過的任何液態儲氫材料。

再次，用氨本身作為儲氫材料，儲氫的質量能量密度、體積能量密度與目前報道的儲氫材料相比都有極大提高。而且，目前報道的儲氫材料，大多需要通入氫氣，而氫氣無色無味，泄露難以發現，且爆燃范圍寬，難以液化，建設大量加氫站是難題。用氨作為儲氫材料，一是氨有刺激性氣味，泄露極易被發現；二是氨極易液化，運輸便捷；三是目前遍布全球眾多的加油站經過改造，完全可變成加氨站。無論從經濟角度還是風險角度考慮，此方法顯然更可行。

另外，從環保角度考慮，氨完全分解產物是體積比為3：1的氫氣和氮氣，氮氣是空氣的主要成分，不會給環境造成任何污染。另外，氨在純氧中燃燒，其產物為氮氣和水，如能規避催化氧化因素（催化氧化會產生氮氧化物，污染環境），其本身也可作為燃料。

綜上所述，我認為氨是當前最好的一種儲氫材料。

由于學識所限，也許用氨做儲氫材料還有許多問題要解決，比如，如何開發新型催化劑在更低的溫度下使氨分解，如何使氨徹底分解不造成環境污染等。我相信，事在人為，只要努力鉆研，這些問題都會得到解決。

另外，有一種理論認為，氫在極高壓力下，會轉變成可穩定存在的氫金屬。2017年1月，美國哈佛大學曾宣布制出了地球上首塊金屬氫，但之后由于操作失誤，金屬氫樣本消失了。如上述研究屬實，金屬氫在未來可以低成本大量制備，則金屬氫無疑會成為終極儲氫材料。

展望未來，希望有一天，能看到水能、風能、太陽能產生的富余電能可以安全迅速地轉化為氫能，讓氫這種綠色環保能源完全取代目前的化石能源，讓我們的地球徹底和溫室效應說再見！