PNNL 的科學家們研究了一種地球上儲量豐富的常見鹽的有前途的特性。在一個溫度持續升高的世界中，越來越多的共識要求能源的碳排放量為零或接近零。這意味著通過從可再生資源中獲取更多能源來超越煤炭、石油和天然氣。

最有前途的可再生能源載體之一是清潔氫，它是在沒有化石燃料的情況下生產的。宇宙中最豐富的元素是氫，它存在於所有物質的75% 中。此外，一個氫分子有兩個成對的原子——雙子座雙胞胎，既無毒又高度可燃。氫的燃燒潛力使其成為全球能源研究人員的一個有吸引力的課題。

在太平洋西北國家實驗室(PNNL)，一個團隊正在研究氫作為儲存和釋放能量的介質，主要是通過破壞其化學鍵。他們的大部分工作都與能源部(DOE) 的氫材料高級研究聯盟(HyMARC) 有關。

PNNL 的一個研究重點與優化儲氫有關，這是一個棘手的問題。迄今為止，還沒有完全安全、成本效益高且節能的大規模儲存氫氣的方法。

PNNL 研究人員最近與人合著了一篇論文，研究將小蘇打溶液作為儲存氫氣的方法。這項研究已經被英國皇家化學會出版的《綠色化學》雜誌稱為“熱點論文”。這意味著它有很多點擊顯示出興趣。

PNNL 的氫基儲存工作由美國能源部能源效率和可再生能源辦公室(EERE) 的氫和燃料電池技術辦公室資助。該研究推進了美國能源部的H2@Scale計劃以及該機構的Hydrogen Shot。

這篇新論文的兩位主要作者是化學家和PNNL 實驗室研究員Thomas Autrey 和他的同事Oliver Gutiérrez，後者是使化學反應快速且具有成本效益的專家。

清潔氫作為一種能源有著廣闊的前景。例如，一種稱為電解的過程可以將水分解成氫氣和氧氣。在最好的情況下，電解能源將來自可再生能源，包括太陽能、風能和地熱能。然而，有一個頑固的挑戰：如何能夠以更便宜的價格生產氫氣。

為解決這個問題，美國能源部在2021 年宣布了其Energy Earthshots 計劃，該計劃包括六個步驟以支持清潔能源技術的突破。首先推出的是Hydrogen Shot，旨在在十年內將氫的成本從每公斤5 美元降低到1 美元——降低80%。

Autrey 說，除了降低清潔氫的生產成本外，“你還必須弄清楚如何移動和儲存它，”這些步驟可以使價格回升。但一直難以找到理想的儲氫介質。

氫氣可以壓縮成氣體，但這需要非常高的壓力——高達每平方英寸10000 磅。一個安全的儲罐需要非常厚的鋼壁或昂貴的太空級碳纖維。低溫液氫怎麼樣？這是一種經過驗證的存儲介質，但需要獲取並保持低溫（-471 F 或-279.4 C），因此外圍能源成本很高。

最有希望的似乎是液體分子，經過優化以儲存和釋放氫氣。可持續能源專家傑米·霍拉迪(Jamie Holladay) 最近指導了PNNL 牽頭的研究，以研究更簡單、更有效的氫液化策略。

Gutierrez 說，使用這種液體作為存儲介質的優勢在於可以保留現有的能源基礎設施，包括管道、卡車、火車和運輸船。

想烤餅乾嗎？還是儲存氫能？小蘇打可能是門票。這種溫和、廉價的碳酸氫鈉鹽無毒且在地球上儲量豐富。

不完全是小蘇打。PNNL 團隊正在研究長期研究的碳酸氫鹽-甲酸鹽循環的氫能儲存特性。（甲酸鹽是一種安全、溫和的液態有機分子。）

它是這樣工作的：甲酸離子（氫和二氧化碳）在水中的溶液攜帶基於非腐蝕性鹼金屬甲酸鹽的氫。離子在催化劑存在下與水反應。這種反應會產生氫氣和碳酸氫鹽——奧特雷稱讚的“小蘇打”，因為它對環境幾乎沒有影響。

對壓力進行適當的溫和調整後，可以逆轉碳酸氫鹽-甲酸鹽循環。這為可以交替存儲或釋放氫氣的水溶液提供了一個開關。

在小蘇打出現之前，PNNL 儲氫團隊將乙醇視為液態有機氫載體，這是業界對儲存和運輸介質的統稱。同時，他們開發了一種釋放氫氣的催化劑。

催化劑是專門設計的添加劑，可以以節能的方式加速用於建立和破壞化學鍵的過程。

2023 年5 月，對於一個與PNNL 工作相關的項目，EERE 在兩年內向華盛頓州里奇蘭的OCOchem 提供了250 萬美元的資金，用於開發一種從二氧化碳中製造甲酸鹽和甲酸的電化學工藝。該過程會將二氧化碳與位於水的標誌性化學鍵H2O 中的氫結合。

在剛剛開始的合作夥伴關係中，PNNL 將開發從OCOchem 產品中釋放氫氣的方法。

在儲氫研究領域，碳酸氫鹽-甲酸鹽循環引起了相當長一段時間的轟動。畢竟，它是以豐富、不易燃、無毒的材料為基礎的。

Autrey 說，這個循環是建立在一種非常溫和的水性儲存溶液上的，它“看起來像水”。“你可以用它來滅火。”

但要使甲酸鹽-碳酸氫鹽成為一種可行的氫能儲存方式，研究人員仍必須開發經濟上可行的方案。到目前為止，該技術的氫儲存量僅為每立方米20 公斤，而液態氫的行業標準為70 公斤。

Autrey 說，更根本的是，研究人員需要對所需的電化學和催化有系統級的了解。在工程學方面，迄今為止，可行的碳酸氫鹽-甲酸鹽循環的想法技術準備水平較低。

從好的方面來說，PNNL 正在考慮的鹽溶液在與水反應時會釋放氫氣。它們還在中等溫度和低壓下運行。

至少在理論上，正如Autrey 和Gutiérrez 在他們2023 年的論文中所描述的那樣，碳酸氫鹽-甲酸鹽循環代表了“一種可行的氫能源儲存和運輸綠色替代方案”。

小蘇打的想法也是2023 年論文所稱的“幾個緊迫的科學挑戰”的核心。

其中包括如何從捕獲的過量二氧化碳中製造儲氫介質。甚至使用相同的介質來存儲電子，這為直接甲酸鹽燃料電池提供了希望。

此外，PNNL 的工作可以為水（水）相中的催化提供見解。目前，PNNL 團隊正在使用鈀作為他們的候選催化劑。他們的努力包括尋找使稀有金屬更穩定、可重複使用和壽命更長的方法。

Autrey 說，總而言之，小蘇打的想法對於儲氫來說“是一種令人驚奇的閃亮事物，令人興奮的是各種可能性。”