随着全球变暖愈演愈烈，越来越广泛的共识是，能源要实现温室气体净零排放。这意味我们要从可再生能源中获得更的能量，以超过从煤炭、石油和天然气中获得的能量。最有前景的可再生能源载体之一是清洁氢气，它的制备不需燃烧化石燃料。

这个设想极具前景，因为氢是宇宙中含量最高的元素，任何物质的 75% 都是氢。此外，一个氢分子有两个氢原子，它安全无毒且高度易燃。氢的易燃性使其成为一个吸引世界各地能源研究人员的题。

美国太平洋西北国家实验室（Pacific Northwest NationalLaboratory, PNNL）的一个团队正在研究氢作为储存和释放能量的介质，主要是通过化学键裂解的方式。他们大部分工作都与能源部的氢材料高级研究联盟（Hydrogen Materials-AdvancedResearch consortium, HyMARC）有关

性和温和性，却能成为这个棘手问题的有效应对方式，Autrey 对此感到十分惊讶。他说：“并不是每种化学物质都能有效储存氢气。我必须有点创造力，利用好大自然恩赐。”

用于长期能源需求的清洁氢气氢作为可再生能源的载体，

Autrey、Gutiérrez 和 PNNL 其他研究人员将长时储能视为氢能未来的键。

目前的电池技术只能储能几时。在可再生能源电网中，电池可以应对约 80% 的储能需求。

但“剩下的 20% 需要采取独特的方法，我们希望储存多余的能量，以便为Dunkelflaut做好准备。”Autrey如是说。Dunkelflaut 是一个德语单词，

描述的是风光能源不足的天气条件。

在阴暗无风的 Dunkelflaute 时期，网需要一种长期储能的方法，而不储氢有待优化

PNNL 研究的一个重点是优储氢，这是一个棘手的问题。到目前为止，还没有一种完全安全、经济节能的方式来大规模储存氢气。

PNNL的研究团队最近合作完成了一篇论文，研究了小苏打溶液为储氢的手段。这项研究已经被国皇家化学学会出版的《绿色化学》杂志评为“热门论文”。这意味论文的点击量很高，颇受关注。PNNL 的储氢研究由美国能源部能源效率和可再生能源办公室（Energy Efficiency and RenewablEnergy, EERE）的氢和燃料电池技术办公室资助。这项研究推进了能源部的 H2@Scale 倡议以及 HydrogeShot 计划。

论文的两位主要作者是化学家、PNNL 实验室研究员 Thomas Autrey和他的同事 Oliver Gutiérrez，Olive是研究低成本加速化学反应的专家。小苏打随处可得，又兼具经济仅仅只能储存几个小时。

季节性储能是氢气具有吸引力的原因之一。正如专家所说，氢储可适用于任何地方，与“地理条件无关”。水力发电，例如，需要利用水位差来蓄水发电。而储氢不要这样特殊的地理条件。

此外，Autrey 说，随着氢气规模的扩大，它也变得更加经济。购买几个氢气储罐可比购买大量电便宜。

寻找最佳储氢方式

作为一种清洁能源，氢能有广阔的前景。例如，电解过程可以把水分解成氢气和氧气。最佳情况下，电解水（制氢）的能源将来自可再生能源，比如太阳能、风能和地热能。

然而，它面临一个严峻的挑战，

那就是如何更经济地制氢？

为了解决这一问题，美国能源部在 2021 年宣布了能源攻关计划（Energy Earthshots），旨在通过六项计划取得清洁能源技术突破。其中首个 Hydrogen Shot 计划将在十内将氢气成本从每公斤 5 美元降至 1美元（降低 80%）。

Autrey 说，除了降低制氢成本，“还必须弄清楚如何运氢和储氢，否则氢气价格还可能回升。但是，很难找到理想的储氢质。

氢气可以压缩从而气态存储，但这需要超高压——每平方英寸高达 10,000 磅。一个安全的储氢罐需要非常厚的钢壁或昂贵的太空级碳纤维。

低温液态氢怎么样？这是一种经过验证的存储介质，但这种储氢方 式 需 要 超 低 温 度（-471 。 F 或 -279.4 ℃），因此外围储能成本非高。

液体分子似乎是最有希望的存储介质，优化后的液体分子可储存、释放氢气。可持续能源专Jamie Holladay 最近指导了 PNNL 的研究，以研究更简单、更高效的氢液化策略。

Gutierrez 说，使用这种液体为存储介质的优势在于可以保留有的能源基础设施（包括管道、卡车、火车和载重船）。

碳酸氢盐 - 甲酸循环

烤饼干？还是储氢？小苏打都适用。这种温和、廉价的碳酸氢盐含量丰富且安全无毒。

说小苏打其实并不准确。PNNL团队正在研究碳酸氢盐 - 甲酸循环的储氢特性。（甲酸是一种安全、和的液体有机分子。）

下面是其工作原理：甲酸根离子溶液（氢和二氧化碳）在水中带基于非腐蚀性碱金属甲酸根的氢。离子在催化剂作用下与水反应，产生氢气和碳酸氢盐——“小苏打”，Autrey认为它不会对环境造成影响。

对压力进行适当温和的调整，碳酸氢盐 - 甲酸循环可以逆转。这水溶液提供了一个“转换开关”用于交替储存或释放氢气。

在小苏打之前，PNNL 储氢团队将乙醇视为液态有机氢载体——业界对储存和运输介质的总括性术语。同时，他们研发了一种促进氢气放的催化剂。

催化剂是一种添加剂，能够节能的方式加速制造或破坏化学键。

2023 年 5 月，EERE 向华盛顿里奇兰的 OCOchem 公司提供了 25万美元的资金，用于在两年内开发一种与 PNNL 研究相关的电化学工艺，该工艺可以从二氧化碳中制甲酸盐和甲酸。该过程将二氧化碳与 H2O（水的离子键）中的氢离结合起来。

在刚刚开始的合作中，PNNL 将开发从 OCOchem 产品中释放氢的法。

“看起来像水”的氢储溶液在储氢研究领域，碳酸氢盐 - 酸循环已经引起了相当长一段时的热议。毕竟，它是含量丰富、不易燃、安全无毒的材料。

Autrey 说，这种循环是建立在一种水性储存溶液的基础上，温到“看起来像水，你可以用它来火。”

但是，为了使甲酸盐 - 碳酸氢盐成为储氢的可行手段，研究人员仍需考虑其经济性。到目前为止，技术只能达到每立方米储氢20公斤，而液态氢的工业标准是每立方米 70公斤。

Autrey 说，更重要的是，研究人员需要对所需的电化学和催化知识进行系统了解。在工程方面，今为止，可行的碳酸氢盐 - 甲酸循设想具备的技术准备水平仍然较低。“如果我们解决了催化问题，他补充说，“我们可以得到一些真正的效益。”

“令人惊叹的神奇物质从好的方面来说，PNNL 利用盐溶液与水反应释放氢气的研究适温和低压条件下可以运行。

正 如 Autrey 和 Gutiérrez 在2023 年的论文中所描述的那样，至

少在理论上碳酸氢盐 - 甲酸循环代着“一种用于储氢和运氢的可行绿色替代方案”。

小苏打的设想也与 2023 年论所说的“几项紧迫的科学挑战”有关其中包括如何利用捕获的过二氧化碳制备氢气存储介质。甚至使用相同的介质来储存电子，从而有望制成直接甲酸盐燃料电池。

此外，PNNL 的工作可以促水相中的催化作用。目前，PNNL 队把钯作为他们的候选催化剂，们正致力于寻找使钯这种稀有金属更稳定、更长寿、可重复使用的方法。

Autrey 说，总而言之，对于储氢来说小苏打“是一种令人惊叹神起物质”，“它的储氢可行性令人更加兴奋。”