中國儲能網(wǎng)訊：氫，是元素周期表中位于第一位的元素，好像天生就有不同尋常的地位。這個自然界中最小的原子，具有怎樣不同尋常的“大神通”呢？我們帶大家走進(jìn)氫的世界，回顧氫的前世今生，展望氫的未來。在十六世紀(jì)氫氣的發(fā)現(xiàn)過程中，氫似乎就具有不一般的特性：“把鐵屑投到硫酸里，就會產(chǎn)生氣泡，像旋風(fēng)一樣騰空而起”。英國化學(xué)家卡文迪什發(fā)現(xiàn)，如果把它和空氣混合在一起，一遇火星就會爆炸。
1787年，法國化學(xué)家拉瓦錫正式提出“氫”是一種元素，因為氫燃燒后的產(chǎn)物是水，便用拉丁文把它命名為“水的生成者—Hydrogenium”。
其實(shí)從這些早期最基礎(chǔ)的研究中，已經(jīng)可以直觀地了解到氫的種種特性：第一，容易大量產(chǎn)生；第二，能夠燃燒和爆炸；第三，生成物是水。這表明，一種新型的易生產(chǎn)的綠色高能燃料被發(fā)現(xiàn)了。這就是氫——一種即將對人類的今天以及未來產(chǎn)生重大影響的元素。
現(xiàn)在，氫已經(jīng)成為一種重要的工業(yè)原料，全世界生產(chǎn)的氫氣約有2/3用于合成氨工業(yè)；氫氣在氧氣中燃燒的氫氧焰達(dá)3000℃高溫，可用于熔融和切割金屬；利用氫的同位素氘和氚的原子核聚變時產(chǎn)生的能量能生產(chǎn)氫彈；液態(tài)氫，作為最理想的火箭燃料，與液態(tài)氧混合燃燒可以產(chǎn)生大約等于350的比沖量；美國于2002年提出了“國家氫動力計劃”，短短十幾年來，氫燃料電池已經(jīng)在高速車輛、巴士、潛水艇等現(xiàn)代交通工具上實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用。
然而，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是氫的利用極限，近一百年以來，科學(xué)家為另外一件事進(jìn)行了前赴后繼的研究，這就是“金屬氫”。1935年，普林斯頓大學(xué)Wigner和Huntington預(yù)言，在一定的高壓下，氫可能會變成一種堿金屬；1968年，Ashcroft提出疑問，根據(jù)BCS理論，金屬氫可能是一種高溫超導(dǎo)體。根據(jù)最新的研究進(jìn)展，實(shí)驗室已經(jīng)合成了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度200 K以上的氫化物高溫超導(dǎo)材料，被 Nature 雜志選為2019年十大科學(xué)突破。金屬氫的室溫超導(dǎo)夢，或許真的可以實(shí)現(xiàn)。
然而，金屬氫的合成異常困難，金屬氫的研究也在爭議中曲折前進(jìn)。單純就合成條件而言，室溫下合成金屬氫需要高于400 GPa的極端壓力，這甚至遠(yuǎn)高于地核中心360 GPa的壓力。2017年，哈佛大學(xué)研究團(tuán)隊曾宣布合成了人類歷史上第一塊金屬氫，然而這一結(jié)果在當(dāng)年8月國際高壓科技會議上被多位科學(xué)家質(zhì)疑。而2019年德國科學(xué)家的最新研究結(jié)果表明，處于同壓力下的氫可能還是半金屬。
為解決以上難題，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所極端環(huán)境量子物質(zhì)中心的科研團(tuán)隊（以下簡稱“量子中心團(tuán)隊”）結(jié)合金剛石對頂砧裝置和脈沖激光加熱技術(shù)，尋求極端高溫高壓條件下合成流體金屬氫的可能性。
研究發(fā)現(xiàn)，在壓力-溫度的共同驅(qū)動下，氫分子會逐步解離為氫原子，并伴隨發(fā)生絕緣體-半導(dǎo)體-金屬的轉(zhuǎn)變。超快寬帶超連續(xù)光譜幫助研究人員原位測得了氫樣品在連續(xù)相變過程中的吸收特征和反射特征。
經(jīng)過對多輪實(shí)驗結(jié)果的分析，結(jié)果顯示150 GPa-3000 K以上的溫度壓力條件下氫樣品出現(xiàn)了強(qiáng)烈的金屬反射光澤，其反射率最高達(dá)50%，證明合成了流體金屬氫?！敖饘贇洹北徽J(rèn)為是高壓領(lǐng)域的“圣杯”，其研究在過去幾十年里一直推動高壓實(shí)驗技術(shù)和理論模擬的不斷發(fā)展完善。流體金屬氫的成功合成，得益于高溫高壓實(shí)驗技術(shù)與超快光譜探測的完美結(jié)合，這是繼2018年量子中心團(tuán)隊成功合成高能材料“金屬氮”以來，在輕物質(zhì)的絕緣體-金屬轉(zhuǎn)變研究上又一突破。
金屬氫能夠幫超導(dǎo)材料甩掉低溫的包袱，使其在更廣泛的環(huán)境中得到應(yīng)用，比如用金屬氫輸電，可以取消大型的變電站而輸電效率在99%以上，大大提高了全世界電量的利用率，降低了輸送成本；如果用金屬氫制造發(fā)電機(jī)，其重量不到普通發(fā)電機(jī)重量的10%，而輸出功率可以提高幾十倍乃至上百倍。不僅如此，金屬氫更是一種綠色高能燃料，是目前已知的含能密度最高的常規(guī)燃料，其能量儲存在化學(xué)鍵中，無需氧氣助燃即可釋放大量能量，如果能夠組成燃料電池應(yīng)用于現(xiàn)代交通工具，城市將變得十分清潔。
也許，金屬氫寶藏的大門已經(jīng)緩緩向我們打開。
