氫是宇宙中最小的元素，作為一種清潔能源有著巨大的潛力。使用氫(H2)作為燃料和儲存能量的手段可以減少我們對石油的依賴，幫助我們減少空氣污染和溫室氣體排放，以實現我們更清潔、更美好的氣候目標。然而，大規模采用氫能源需要技術進步和新基礎設施的建設。

勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)的科學家們正在領導地方和國家項目，旨在優化氫能生命周期的各個階段，從成本效益和環境友好型氫氣生產的工程技術一直到開發高效的氫燃料電池。

以下是我們目前關注的領域綜述，包括氫的生產、儲存、使用和分析，以實現無碳的未來。

1、電解：從水中獲得的無碳燃料

傳統上，最常見的生產氫氣的方法是在煉油廠重整天然氣。但隨著我們從化石燃料轉向可再生能源，電解——利用電和催化劑分解水分子產生氫氣的過程——正越來越受歡迎。

由于氫氣在內燃機或燃料電池中燃燒時不會產生二氧化碳，當你用可再生電力為電解槽供電時，得到的氫燃料幾乎是零碳能源。電解方法已經存在了幾十年，但由于高昂的資金成本和所需的電力成本，該方法尚未在商業規模上廣泛采用。

伯克利實驗室的科學家們正致力于開發多種電解技術，作為“下一代水電解槽氫”(H2NEW)多實驗室聯盟的一部分。該聯盟的目標是使可制造的電解槽能夠在2025年之前將氫的成本降低到每公斤2美元，以便與天然氣制氫競爭。

一個團隊正在研究高效的高溫電解系統，該系統利用水泥和氨生產等工業過程產生的副產品產生的熱量，或太陽能熱電廠和核電站產生的多余熱量，作為能量來幫助驅動水分解反應。

其他研究人員正在研究低溫質子交換膜(PEM)電解，這種電解在低于100攝氏度(212華氏度)的溫度下工作，使它們能夠與風能和太陽能等可再生能源相結合。低溫PEM電解技術較為發達，在計劃部署的電解槽中占很大比例。

不幸的是，這些裝置需要銥——地球上最稀有的元素之一——作為電極催化劑，將氫質子從H2O分子中分離出來，并從新的單個氧原子中生成O2。

能源技術領域(ETA)的資深科學家Rangachary Mukundan擁有數十年研究燃料電池和電解槽的經驗，他說：

“當大量使用銥時，就像今天的商業電解槽一樣，一切都能正常工作，而且系統非常耐用。”

但是，他指出，當你試圖減少銥的用量以降低成本時，“你就會開始看到耐用性問題。隨著時間的推移，銥會溶解并從催化劑層進入膜中，因此性能不再穩定。”

ETA能源轉換小組的研究科學家Xiong Peng是一個團隊的成員，他試圖通過重新設計電解槽的多孔傳輸層(PTL)來解決這個問題。PTL是催化劑和流場之間的材料，也是水流經電解槽的地方。

最近的研究表明，通過激光燒蝕來修飾該層的多孔納米結構可以改善PTL與電極的接觸，從而提高其性能。

2、甲烷熱解：利用溫室氣體制造氫燃料

電解分解水，另一種稱為甲烷熱解的技術利用熱量和催化劑將甲烷氣體（CH4）分解為氫氣和有用的固體碳產品，如石墨、碳納米管和富勒烯。目前還沒有大規模的甲烷熱解系統在使用，因為現有技術需要高熱量（大于1000攝氏度或1832華氏度）來引發分子分解，因此由于能源和專門的、具有溫度彈性的設備的成本，該過程變得昂貴。但考慮到這種方法提供了三對一的好處，即在生產無碳燃料和有價值的材料的同時去除溫室氣體，許多研究人員正在努力使甲烷熱解在商業上可行。

伯克利實驗室能源轉換小組的Ji Su領導的一個多機構團隊正在開發一種新型液態金屬催化劑，有望在450-800攝氏度（842-1472華氏度）的較低溫度下實現高效、高耐久性的甲烷熱解。最近，一篇描述催化劑原理和早期實驗數據的論文發表在《科學》雜志上，該團隊獲得了《2023 R&D 100》大獎。

Su說：“低溫活動為甲烷熱解過程提供了利用其他工業過程廢熱的機會，而不是其他本身產生碳的能源。例如，在我們的催化劑使用范圍內，歐盟每年產生的總廢熱估計約為120TWh。此外，低操作溫度是使用可再生電力進行電加熱的理想選擇，這將提高效率并實現零二氧化碳足跡。”

該團隊的原型系統非常簡單。催化劑是鎳、鉬和鉍的合金。一層只有幾厘米高的合金薄層裝在一個小的彎曲石英管中，放在一片多孔石英的頂部。管被加熱，使催化劑變成液體。甲烷通過底部管道進入，并通過多孔石英起泡進入液體催化劑，在那里，合金的金屬原子混合物共同作用，將CH4分子分解。氫氣從管的頂部流出，在那里可以收集氫氣，而碳的副產品——在這些測試中是純石墨——整齊地堆積在催化劑的頂部。科學家們指出，在原型系統中，催化劑中的一克鎳可以在一小時內產生2.4升氫氣。在800攝氏度下連續運行120小時后，該系統仍然運行平穩，沒有檢測到石墨以外的化學產品，這表明甲烷具有良好的耐久性和完全分解能力，沒有任何可能損壞系統或成為污染源的意外副產品。

盡管這項技術仍處于早期開發階段，但該團隊樂觀地認為，它將在商業規模上運行良好。“我們的技術超過了任何其他甲烷熱解催化劑的整體性能，”Su說。他和其他人計劃下一步建造一個一米長的甲烷反應器，并設想不久的將來，一個將許多管式反應器與熱源并聯的系統可以同時運行，生產大量清潔的氫燃料。

3、太陽能發電：受自然啟發的可持續燃料

電解和熱解并不是獲得可持續氫氣的唯一途徑。另一種途徑是太陽能發電，這是一類受光合作用啟發的技術，利用陽光中的能量驅動化學反應，將水和大氣中的氣體轉化為燃料。隸屬于液體陽光聯盟（LiSA）的科學家們正在努力使這些太陽能燃料系統成熟，并使其達到工業使用所需的規模。

最近，LiSA團隊開發了一種新的人工光合作用單元，該原型單元由氧化亞銅（Cu2O）制成，頂部有薄層銀，底部有金和氧化鐵。氧化亞銅是一種很好的太陽能燃料催化劑，因為它價格低廉，易于獲得，對光的反應性很高，但就其本身而言，它很快就會被化學反應中產生的腐蝕性自由電子和帶電分子損壞。該團隊發現，他們的“三明治”設計通過將頂部表面產生的電荷通過銅材料輸送到金和鐵的“水槽”中，大大減少了腐蝕，延長了壽命。盡管他們的實驗是為了產生另一種氣體燃料乙烯，但這項技術可以很容易地用于生產氫氣（H2）。

實驗室工作臺上的玻璃太陽能燃料電池原型的特寫

該研究的合作者、材料科學家Joel Ager說：“Cu2O研究中的新見解同樣適用于制造氫等其他太陽能燃料。太陽能制氫是一項更成熟的技術，但它仍然缺乏商業使用所需的壽命。我們很高興能將從Cu2O中學到的見解應用到其他系統中。”

Ager領導HydroGEN的光電化學團隊，HydroGEN是一個由五個美國能源部國家實驗室組成的聯盟，與行業和學術合作伙伴合作開發先進的水分解材料。通過HydroGEN，伯克利實驗室的科學家開始與密歇根大學的研究人員合作，分析該小組基于硅和氮化鎵的人工光合作用設備。過去幾年的實驗表明，該裝置在生產氫氣方面非常有效。而且，與其他所有人工光合作用催化劑（以及大多數技術）不同，氮化鎵隨著時間的推移會變得更高效，而不是分解。通過伯克利實驗室分子鑄造廠進行的先進電子顯微鏡和X射線光譜能夠表明，該設備中使用的納米線側壁的氫氣產量增加是性能提高的原因。HydroGEN聯盟的另一個成員Lawrence Livermore國家實驗室進行的工作隨后揭示了造成這種影響的原子機制。

“我們已經研究這種材料超過10年了，我們知道它是穩定高效的。但這種合作有助于確定它變得更堅固、更高效而不是退化的基本機制，”該材料的發明者、密歇根大學電氣和計算機工程教授Zetian Mi說。Mi說：“這項工作的發現將幫助我們以更低的成本建造更高效的人工光合作用設備。”

4、更好的儲氫方法

一旦產生氫氣，就必須將其儲存并運輸到加油站、發電廠、化學制造中使用氫氣的工廠和其他用戶那里。然而，由于氫的體積很小，很難控制。由于氫分子對中的每個原子只由一個質子和一個電子組成，分子可以很容易地穿過固體材料中結合在一起的較大原子之間的空間。為了減少儲存容器的泄漏，氫氣通常以液體形式在非常低的溫度下儲存或在高壓下壓縮。雖然這些方法運行得很好，但它們是非常耗能和昂貴的。

伯克利實驗室的科學家們正在開發一種名為金屬有機框架（MOFs）的特殊材料，這種材料可以像海綿一樣在更接近環境條件的壓力和溫度下吸收氫氣。所有MOF都由被有機連接分子包圍的金屬原子團簇的重復單元組成，盡管確切的成分因MOF吸引的分子種類而異。

這些單元產生了多孔三維結構，每體積材料的表面積非常高。氫氣很容易流入孔隙，然后緊緊地附著在內表面的帶電顆粒上，直到壓力降低，然后氫氣被釋放出來，并可以轉移到其最終目的地。

ETA可持續能源與環境系統部的研究科學家Peng Peng解釋道：“液氫需要冷卻到負250攝氏度，壓縮氣體需要350-700倍大氣壓的高壓。而MOFs在適度冷卻和一半壓力下可以儲存與高壓氣體相同數量的氫氣。”

MOFs的其他優點包括與液體儲存容器相比，向大氣蒸發的損失更小，并且與高壓罐相比，燃燒危險更低。

Peng和他的同事們一直在為新的MOF設定目標，并通過計算模型評估MOF的性質和性能，該模型基于加州大學伯克利分校的化學家和材料科學家合作者通過DOE氫材料高級研究聯盟（HyMARC）合成的樣品的小規模測試。一些材料已經進入原型階段，少數材料已經在商業化的道路上。Peng表示，目前MOFs最大的障礙是制造這種材料和快速向其中充入氫氣的高成本。

伯克利實驗室的團隊通過HyMARC也在研究其他儲存解決方案，如結合氫原子的金屬，稱為氫化物，以及將氫儲存在其他化學鍵中的方法，稱為化學載體，如甲苯（C?H?CH?). 伯克利實驗室的科學家們正在與學術團體和行業展開合作，設計耦合系統，將存儲技術與從中饋送的耗氫設備集成在一起。

5、利用氫動力的先進燃料電池

除了生產和儲存氫氣，我們的研究人員還建造和測試了燃料電池，這些燃料電池可用于大規模能源生產系統，以支持電網，以及為零排放汽車供電。

后一個領域的一個關鍵項目是百萬英里燃料電池卡車聯盟（M2FCT），這是一個由伯克利實驗室共同領導的多實驗室DOE倡議，旨在推進PEM燃料電池，使其足夠耐用，可用于長途運輸的重型卡車。M2FCT的成員還對氫動力卡車進行成本分析和生命周期評估，以預測更換柴油動力卡車的影響。

描述大型卡車影響的四張餅圖。（資料來源：Ahmet Kusoglu）

PEM燃料電池看起來像是反向工作的PEM電解裝置。燃料電池不是用電從水中產生氫氣，而是分裂氫分子，產生自由電子流——可以為發動機提供動力的電——和質子，質子穿過膜，然后與從空氣進入電池的氧分子相互作用，形成水蒸氣。目前，一個電池單元可以產生大約300W的功率，足以為五個標準燈泡供電。能夠為汽車或卡車提供動力的燃料電池發動機由許多堆疊在一起的電池單元組成。

“向氫燃料電池重型汽車過渡將對減少溫室氣體排放產生重大影響，”能源轉換小組的科學家、M2FCT團隊成員Ahmet Kusoglu說。他指出，重型卡車只占美國車輛總數的一小部分（約5%），但占所有運輸排放量的約25%以上，每年消耗四分之一的燃料。

經過幾十年的研發，用于輕型汽車（如乘用車）的燃料電池發動機已經相當先進。但這項技術不能復制粘貼到重型車輛上。用于乘用車的燃料電池發動機被設計成重量輕、價格實惠，而卡車需要耐用的電池，可以以低運營成本持續長距離使用——重量和標價并不是什么大問題。

Kusoglu和他的同事們的目標是了解PEM燃料電池是如何以及為什么退化的，以開發材料和策略來提高系統的耐用性，使其達到100萬英里的壽命目標——這將比目前的燃料電池汽車發動機的耐用性提高五倍。除了減少交通部門排放的明顯好處外，該計劃還將使燃料電池更容易在各種重型應用中實施，從港口設備、船舶到火車。

“重型汽車市場可能是快速部署燃料電池技術的途徑，”能源轉換小組組長、M2FCT聯合主任、燃料電池性能和耐久性聯盟前副主任Adam Weber說，該聯盟專注于輕型汽車的燃料電池。“這將鼓勵建設所需的加氫基礎設施。”

6、構建經濟和環境有效的系統

我們的科學家不僅僅是在設計氫技術，并希望它們能在現實世界中發揮作用。他們使用技術經濟分析（TEA）和生命周期評估（LCA）來研究不同裝置和系統的投入、產出以及環境和經濟影響。TEA和LCA使科學家能夠研究能源技術在處于早期開發階段時將如何在工業規模上發揮作用，并了解技術組件的變化——例如，切換電解槽中使用的材料——將如何影響成本、性能和供應鏈。

Hanna Breunig，可持續能源與環境系統部副部長，專門研究氫能系統的TEA和LCA。她還是該實驗室HyMARC工作的聯合主任。Breunig和她的同事們在本文前面提到的許多項目上進行了合作，并領導了他們自己的研究。

該部門目前的一個分析項目側重于使用氫氣來限制鋼鐵和煉鋼中化石燃料的使用，這是一個巨大的全球產業，是二氧化碳排放的重要來源。根據國際能源署的數據，全球鋼鐵生產每年貢獻27.8億噸二氧化碳排放量，即每噸鋼鐵約1.39噸二氧化碳。

這些排放物來自天然氣或焦炭（經過加熱以去除雜質的濃縮煤），在高溫爐中與鐵礦石（氧化鐵）混合以去除氧氣，從而生產出更多可與碳結合制成鋼的純凈鐵。天然氣和焦炭與氧氣反應形成CO2。

但已經設計了一種替代類型的熔爐，它燃燒氫燃料，以提供從鐵礦石中去除氧氣所需的熱量和電子。由于鋼是鐵和碳的合金，生產過程中總是需要一些碳，但通過改用這種新設計，所需的總量和對石油產品的依賴可能會大大減少。Breunig說：“當我們觀察鋼鐵生產產生的排放時，它們大部分來自于高溫以及還原劑供給，將鐵礦石轉化為海綿鐵，然后進行加工。因此，從使用焦炭產品的高爐到使用氫氣和某種碳源的直接還原高爐——可能是生物炭，也可能是生物甲烷——你可以將溫室氣體排放量減少95%以上。”

伯克利實驗室的Breunig和Fabian Rosner正在與科羅拉多州的國家可再生能源實驗室合作，開發一種供應鏈工具，將氫動力熔爐與美國海上和陸上可再生能源電解產生的氫氣連接起來。使用TEA和LCA，他們已經確定了工藝改進方向，這些改進將使這種綠色鋼鐵對買家來說更具成本競爭力，并且對氫氣輸送價格的波動不那么敏感。

本文中的研究由美國能源部科學辦公室和能源效率與可再生能源辦公室資助。