晨雾轻轻覆在锯齿状的海岸线上，金属管道穿过布满盐霜的阀门，沿着海岸线蜿蜒生长。2024年，日本德山与Biocoke Lab两家公司联合揭晓了全球首条氢化镁量产产线的面纱——
这种在常温常压下静默封存氢原子的金属氢化物，能够以超越高压气氢近3倍的储氢密度将氢储存起来，且其水解氢的过程无需低温深冷等流程。
巨轮鸣笛启航，集装箱垒若山峦，劈波斩浪渐行渐远。也是在2024年，全球首例吨级镁基固态储氢罐从我国上海外高桥港出发——
这个看似普普通通的集装箱，实则装载着1吨氢气，运输成本仅为传统高压气态储氢的1/3。当它安全地抵达马来西亚时，也标志着固态储氢全球化的首航圆满完成。
悄然之间，除了气态、液态两种形态之外，以氢化镁为代表的固态储氢材料，正在成为解决氢工业储存运输难题的一把“关键钥匙”，为高效利用氢能源解锁了更大空间，催生了更多想象。
那么，何为固态储氢材料？它有哪些特性与优点？未来应用前景如何？请看本期解读。
固态储氢技术：解锁氢能“关键钥匙”
■肖青松 解子勋 张云帆
科研人员展示储氢材料。 新华社发
氢元素的“定居”史
氢，是这个世界上最轻盈的元素。氢气，也是世界上密度最小的气体——标准状态下，氢气密度仅为空气的1/14。
1立方米常温常压的氢气质量仅仅为0.0899千克，却蕴含着巨大的能量——同等质量下，1克氢气提供的能量相当于汽油的3倍、煤炭的5倍，是自然界中能量密度最高的燃料。
氢还有一个重要的性质——当氢与氧发生化学反应时，唯一的产物是水分子。这一优越特性使氢成为真正实现“零碳排、纯清洁”的理想能源，堪称零碳能源中的“终极解”之一。
氢，正以巨大的能量潜力重塑人类的能源版图。
在航天领域，液氢与液氧组合的火箭发动机曾推动阿波罗飞船登陆月球，“液氢与液氧的组合”至今仍是化学推进剂的巅峰之作。全球每年消耗的氢气中，超过半数被用于合成氨、炼油和电子制造，对人类社会发挥着重要作用。
在交通领域，氢燃料电池能够助力汽车新动能；在工业脱碳领域，钢铁、化工等“高碳大户”正探索用绿氢替代煤炭和天然气；在储能领域，氢能够将风能、太阳能等间歇性可再生能源转化为稳定的化学能……
然而，我们看到，这样的理想能源面临着巨大的储运难题。在常温常压状态下，储存1吨氢气需占据1.1万立方米以上的空间，这相当于5个标准游泳池的容积总和，大规模运输和存储氢气的难度可想而知。
为突破体积限制，工业界曾长期采用两种储运方式：高压气态储氢和低温液态储氢。
高压气态储氢利用高压，将氢气压缩到钢瓶等耐高压的容器里。这种方式具备结构简单、压缩氢气制备能耗低、充装和排放速度快等优点。不过，其储氢量较低，且对高压储氢罐存在较高的技术要求。
以卡车运输为例，高压气态储氢的方式主要依靠运输人员将氢气加压至数百倍大气压后，储存到特制钢瓶中，而一辆载重40吨的卡车能够运输的氢气重量往往不到1吨，这大大提高了运输成本。
低温液态储氢是将氢气压缩后，冷却至-253℃使其变为液氢，并储存在低温绝热的真空容器中。这种方式的储运量更大、纯度高、占地更小。但是，液化1千克的氢气需要耗电4至10千瓦，且需要特殊的容器来储存液氢。
此外，“氢脆”现象也是个棘手的难题。极小的氢分子渗入传统容器后，会显著削弱容器的材料力学性能。氢原子在金属内部聚集，会在较小范围内形成应力集中，导致容器产生晶格畸变和微裂纹，带来的安全隐患不容小觑。
尽管如此，科学家们从没放弃过高效利用这种绿色燃料的梦想。自200多年前英国化学家卡文迪许首次分离出氢气，人们就开始了对氢气储运难题的攻关。不过，这种攻关长期局限于传统手段，没有突破气态储氢和液态储氢的“桎梏”。
转机出现在1968年。这一年，美国布鲁克海文国家实验室的科学家偶然合成了镍镁合金。这种灰黑色粉末如同氢原子的“捕手”，能通过金属晶格固定氢原子，在常温下实现固态储氢。镍镁合金储氢密度达64kg/m3，彻底颠覆了储氢必须依赖高压、低温等条件的传统认知。
1970年，荷兰菲利浦实验室的研究成果表明，镧镍合金可以实现在室温下快速吸放氢，为固态储氢奠定了工程化基础。
时间的车轮驶入21世纪，氢能的储存、运输问题愈加凸显，成为制约产业发展的瓶颈，也成为催生全新材料体系的动力。伴随着氢能逐渐成为全球新的竞争焦点、各国培育新兴产业的重要方向、推动绿色低碳转型的重要抓手，固态储氢技术获得了前所未有的快速发展，开始大踏步地走进人们的视野。
材料科学引领氢能储运新航向
按照制取工艺碳排放程度的不同，氢气产品可以分为灰氢、蓝氢、绿氢三种。
绿氢是指通过可再生能源驱动生产出的氢气，制备过程碳排放为零，是清洁能源转型的关键角色之一。
基于材料科学的发展，固态储氢技术打开了氢能储运的全新维度。这种将氢原子固定于金属晶格、化学分子或多孔材料中的创新方案，赋予氢能储运高密度、高安全、高纯度的核心特质，让绿氢从实验室走向现实场景成为可能。
我国上海交通大学的研发团队就将镁原子与氢原子巧妙结合，如同为氢气打造了一个微观的“晶格牢笼”，最终形成稳定的储氢化合物。该材料的单位体积储氢密度高达110kg/m3，意味着1立方米的空间就能储存1200立方米气态氢的能量。
日本Biocoke Lab公司也先后开发出具备储氢能力高的镁氢块、为小型电动车储存动力的镁氢储存筒，并在2024年与德山公司宣布量产氢化镁。
当氢能走进工业场景，安全性成为首要考量。我国国家稀土功能材料创新中心在内蒙古矿区交出了一份亮眼答卷：他们开发的稀土镍基储氢合金，将氢原子紧紧锁在金属晶格中，形成化学性质稳定的固态材料。应用该技术的氢燃料叉车彻底告别了高压钢瓶的隐患，储氢量也比传统方案提升2倍。这些“钢铁搬运工”穿梭在矿区，不再需要工作人员小心翼翼地防爆。凭借固态储氢的稳定特性，氢燃料叉车成为高危场景中的可靠伙伴。
高效且稳定的特性是储氢材料具备工业竞争力的前提。2024年，黄浦江畔的一个实验室里，某企业研发的纳米碳镁基固态储氢材料通过了中国工业气体工业协会的鉴定。这种由镁纳米粒子与碳纳米管复合而成的固态储氢材料，在常温低压环境下，可以在拥有高储氢密度的同时，实现高效吸氢放氢，且自耗量低于百分之一。
在成本方面，大连一家公司的百吨级氢化镁产线通过实现氢化镁的高效化、连续化、数字化生产，有效降低了生产成本，是储氢材料规模化生产的有益尝试。
当然，固态储氢技术仍有发展的空间。目前，多数固态储氢材料仍需200~300℃的高温才能实现高效释氢，离不开额外的加热系统；工业氢气中的微量杂质也可能影响材料性能；此外，不同技术路线的储氢罐接口各异，需要全球共同制定标准才能兼容。
随着全球标准化进程的加速，兼容镁基、稀土基等多体系“通用型储氢接口”或许会在不久的将来成为现实，材料科学与工程学树状图上正交错萌发着新的枝丫。
固态储氢前景广阔
在绿色生态转型的大背景下，全球各地针对固态氢能的政策举措相继出台，为技术迭代、产业发展铺平了道路。
在欧洲，政策推动更强调跨国协同与产业链整合。
欧盟《氢能战略》设定了雄心勃勃的目标：2030年建成40吉瓦绿氢电解槽产能，并打造横跨北海与波罗的海的“氢能走廊”，推动固态储氢技术等在跨国能源网络中的应用。
在亚洲，日本的政策扶持更具针对性。其《基本氢能战略》明确对低碳氢提供长达15年的补贴，并特别设立“固态储氢创新基金”，加速氢化镁等材料的商业化进程。
回到中国，为加快绿色低碳能源布局，国家发改委将固态储氢纳入《氢能产业发展中长期规划》，明确“十四五”期间突破关键材料与装备。2023年，南方电网广东广州供电局在广州南沙部署全国首台基于固态储氢技术的氢能应急电源车，并将该项目列入《广州市能源发展“十四五”规划》。该车搭载的固态储氢系统可存储100千克氢气，配备4个额定功率50千瓦的质子交换膜燃料电池，能在200千瓦额定发电功率下持续供电6小时。
当我们把目光投向工业脱碳场景，政策与产业的互动更显深度。在德国，蒂森克虏伯的30亿欧元氢能炼钢项目，得到欧盟“创新基金”的重点资助，其规划的15万吨年绿氢需求，未来很可能通过固态储氢技术实现跨区域输送。
从实验室的合金粉末到跨洋运输的储氢巨轮，固态储氢技术用材料科学的智慧突破了氢能储运的物理极限，驯服了看似有些不羁的氢原子。当中国的镁基固态储氢罐在东南亚港口卸载绿氢，当日本的氢化镁公交车穿梭于城市街头，氢能正在从“概念燃料”蜕变为可触摸的“能源商品”。
这场跨越世纪的技术长征，或许正是人类逐渐摆脱化石能源“依赖症”的关键一步，毕竟，当氢气可以像铁矿石一样储存、像煤炭一样运输，清洁能源的未来将更加光明。
