吸氢的“海绵”

德国奔驰汽车公司和美国布鲁海文国家实验室合作，首先研制出了以氢气为燃料的汽车。日本也不甘落后，住友集团公司随后也推出日本的燃氢汽车。

因为汽油、柴油等石油燃料是一种很不理想的燃料。石油是一种宝贵的化工原料，从石油裂解可以生产高分子材料、药物，以及许多化工产品，工艺路线简单，成本低。石油又是一种不能再生的资源，不能像淀粉、纤维素

那样，依靠光合作用，每年可以大量产生新的资源来进行补充。地球上石油总是要用完的。现在世界上每年消耗石油约十亿吨，实在是一种浪费。许多有识之士和科学技术工作者致力开发其它能源来代替石油，是一种富有远见的行为。

燃油汽车也是一种不可忽视的污染源。世界上每年由汽车尾气排出的铅估计以万吨计。铅是一种对人体有害的重金属。无铅汽油中有的添加甲苯，甲苯比较难燃烧，排放到大气中，对人体也是有害的。此外，由于汽油不完全燃烧产生一氧化碳会造成对大气的污染，这是一种看不见、闻不着的毒气，能跟血液中的血红蛋白结合，阻止氧气进入人体。地球上的一氧化碳污染主要来自汽车。还有，汽油燃烧的最终产物是二氧化碳，过量的二氧化碳会使气温升高，水灾频繁。

和汽油相比，氢气是一种十分理想的能源。首先，氢是一种十分“清洁” 的燃料，燃烧的最终产物是水，燃烧过程中也没有有毒、有害的气体排放出来。其次，氢气可以从水中得到，这种资源是取之不尽，用之不竭的。最鼓舞人的是，现代科学可以利用太阳光来分解水，制取氢气。这项技术工业化以后，氢气就成为十分廉价的能源。氢气燃烧放出的热量是汽油燃烧热的五倍，就是说，用氢做动力的汽车发动机比燃油发动机“劲”大。

但是，氢气也像一匹烈马，跑得很快，却很难驯服，派不上用场。氢气是名副其实的轻气，在大气压力下，一克氢气的体积就达到 11 升之多，做一

个 224 升的大气囊（大约相当 4 个房间），也才装有 20 克氢气！所以用气袋盛气的办法显然是行不通的。

氢气的另一个特点是难液化。把气体变成液体的过程叫液化。液化以后气体体积大大缩小，便于储存、运输。例如家用液化石油气，每罐装 15 公斤，如果不经过液化，直接装气体的话，只能装六十几克！氢气如果容易液化，装到钢瓶里使用，也是一个办法。然而，氢气必须在低于零下 253℃的温度才能液化，高于-253℃，无论加多高的压力，它也不会变成液体。-253℃被称作氢气的临界温度。任何一种气体都有它的临界温度，高于临界温度时不能液化，只有在临界温度以下才能液化。气体临界温度的概念最初由爱尔兰物理学家安德鲁斯从实验中总结出来，后来荷兰物理学家范德瓦尔斯从理论上加以证明，范德瓦尔斯因此获得 1910 年诺贝尔物理学奖。

由于氢气临界温度低，普通高压氢气钢瓶里氢还是以气体状态存在，一个重达百斤的钢瓶里才装有六百多克氢气，作汽车燃料显然自身重量太重，装的燃料太少。况且，高压氢气的安全性也必须考虑。一旦爆炸，就是一颗大炸弹，恐怕不会有人愿意与炸弹为伴。

在科学上常常是这样：一种方法很难解决的问题。换一种方法，情况就会完全改观了。

1968 年美国布鲁海文国家实验室首先发现镁——镍合金有吸收氢气的特性。第二年菲利普实验室又发现镧——镍合金在常温下能可逆地吸收和放出氢气。从此，储氢合金受到人们的极大关注，八十年代以后，各种储氢合金如同雨后春笋不断涌现，各种应用研究也蓬勃开展起来。

储氢合金能够吸收比它自身体积大一千多倍的氢气。在这些合金里，氢气密度是在高压钢瓶里的七、八倍，是液态氢密度的 1.5 倍，是常温度（室温）、常压（大气压力）下氢气密度的一千多倍！而且在储氢合金里氢气还是处在常压之下，自然比高压钢瓶安全多了。

储氢合金具有特殊的晶体结构，氢容易进入晶格间隙，和金属原子形成金属氢化物，这种金属氢化物不稳定，受热就发生分解，把氢气释放出来。由于氢被固定在金属原子周围，氢原子之间的距离很小，氢密度比在液态时还高，大大超过液态。

当前研究开发的储氢合金有镁系、稀土系、钛系、锆系、铁系等。镁系合金有 Mg2Ni、Mg2Cu 以及镁——铁、镁——钛、镁——钴等。镁系合金价格较低，缺点是要加热到 250℃以上时才释放出氢气。

稀土系储氢合金以镧镍合金为代表，容易活化，在 40℃以上放氢速度很好，但成本贵。因为稀土提纯困难，单一稀土价格高，混合稀土就低得多，所以国际上都用混合稀土代替金属镧。我国稀土资源丰富，在稀土储氢合金研究和应用方面做出了独创性的工作。

钛系储氢合金成本低，吸氢量大，但需要在较高的温度下进行吸氢前的处理。已研制了钛与锰、铬、镍、铌、锆等二元以及钛——锰——氮、钛—

—锰——铬等三元和多元合金。钛系合金已经在氢的存储、运输和提纯方面得到广泛的应用。

锆系合金能大量高速地吸收和放出氢气，特别是在 100℃以上也能很好地储存氢气，因此适于做热泵、传感器等装置。锆系合金有锆与铬、锆与锰合金，还有锆、铬、铁再加上锰、钴、镍、铜等元素的多元合金，多元合金适于做高温下的储氢材料。

铁系储氢合金中有铁钛合金，吸氢量大、价格低，但缺点是贮氢前需要进行麻烦的处理。铁——钛——锰等合金的性能有了很大改善。铁系合金成本低，反复使用的次数多，如果能克服其弱点就会有很大优势。

有了储氢合金，就可以做成常压钢瓶，就像海绵吸水一样，把氢气储存在这种合金里。它的储量，也比相同重量的高压钢瓶大一个数量级。氢气这匹烈马，就被安安静静地拴住了。剩下的问题，一是希望储氢合金性能更好，价格更低，当然，更期望光解水制氢技术取得进展，实用化，燃氢汽车普遍推广了。地球上的空气就会清洁得多。

储氢合金的应用是多种多样的，提纯氢气就是它的用途之一。用混合稀土合金处理含氧、氮、二氧化碳等杂质的氢气，得到了杂质含量小于百万分之一的超纯氢。道理是很显然的：储氢合金只吸收氢气，其它杂质气体留在外面。可以用真空泵把这些杂质气体抽出，再加热吸收了氢气的储氢合金，把氢气释放出来，氢气的纯度就更高了。用这种方法提纯氢气可以显著降低高纯氢的生产成本。

储氢合金在吸氢时放出热量，放氢时吸收热量，因此可以用来贮存热量或者制冷。美、日等国设计制造了太阳能利用系统为住宅供热。这个系统利用屋面上的集热箱吸收太阳能，热量传到地下的保温层，保温层里有密封的钢罐，里面放有钛铁合金和氢气，受热后钛铁合金放出氢气，使罐内压力升高，达到五个大气压，这个压力把氢气压到和钢罐连通的高压氢室里。到了夜晚，打开高压氢室的阀门，把压力氢气放进钢罐，使钛铁合金吸收氢气。钛铁合金吸氢时放热，四个大气压力的氢气能把冷水加热到 40℃，给房间供热水和取暖。这个系热不需其它能源，可以长期循环使用。

储氢合金在放出氢气时吸收热量，因此可以用来制冷。美、日等国都用储氢合金制造空调器，已有商品在市场上出售。储氢合金制冷设备可以制取21K 的超低温。利用混合稀土储氢合金还制成了 10K 以下的超低温微型制冷

器。

此外，储氢合金还是化工上的加氢反应的催化剂。利用储氢能大量吸取氢气的性质，制成了镍氢电池。这种电池容量大，使用寿命长，安全无毒。