莫斯科斯科尔科沃科学与技术研究院（Skoltech）和北京高压科学研究中心（HPSTAR）的研究人员与来自俄罗斯、日本和意大利研究中心的科学家们共同发现了一种用于化学储存氢的新材料，其可“吸收”的氢超过目前储氢材料四倍。寻找有效的氢气储存方式对于将这种有前途的能源载体整合到未来可持续经济中至关重要。通过适当的储存技术，氢有朝一日可以为高温工业和运输业提供燃料，并用于平衡电网的供需。
图1. 该研究关注氢（哑铃形分子）与碱金属铯和铷在高压下形成的富氢化合物。该团队在之前的研究中也合成了类似的锶氢化合物。 图片来源：Dmitrii Semenok/Skoltech
氢能的有效发展将在未来的低碳经济中发挥重要作用。它可以通过可再生方式生产，并通过燃料电池或燃烧来产生电能或热能。从氢能中获益最多的领域涵盖炼钢、玻璃和水泥生产，化工以及物流等行业。另外，实现可再生氢能的储存将有利于平衡电力供需。
阻碍氢能广泛应用的主要障碍是缺乏安全、可持续并较为经济的手段来储存氢——这一极轻、易反应、易燃易爆气体。为了储存和运输氢气，可以将其压缩或液化，甚至转化为由H2分子组成的固体。但这些方式存在以下缺点：
首先，这样的处理方式非常昂贵。压缩和制冷过程消耗的能量，相当于获得氢能的~20%-40%。
其次，氢的质量非常小。尽管它是迄今为止能量密度最高的化学燃料，但它单位体积的能量仍然只有压缩或液化天然气的一半左右。这对于将氢能应用于车辆燃料尤为不便。
最后，氢是最小的分子，不易存储且有很大的安全隐患。它很容易从储存容器中逸出，甚至渗透到容器金属壁中，使其变脆并导致裂纹和泄漏。
“替代方案是化学储存”，该研究的主要作者之一，HPSTAR的高级博士后—— Dmitrii Semenok博士（也曾是Skoltech材料科学与工程系的博士毕业生）谈道：“某些材料，例如镁镍合金和锆钒合金，可以利用金属原子晶体结构之间的空隙储存氢。这种方式可提供相对密集和安全的存储，并在加热时相当快地释放氢气。但在这些材料中可填充的氢量有限，每个金属原子可存储大约两个氢原子。”
“在我们合成的化合物——CsH7和RbH9中，每个金属原子分别可‘吸收’多达7个和9个氢原子。我们预计它们将是首批在常压下稳定的富氢材料，尽管后者需要进一步研究确认。这些化合物中氢原子的比例是所有已知氢化物中最高的，是甲烷CH4的两倍”Semenok博士补充道。
该研究的首席研究员——Skoltech材料发现实验室的负责人Artem R. Oganov教授解释了该实验的细节：“我们将氨硼烷的粉末与碱金属铯或铷反应，这会产生称为铯或铷氨基硼烷的盐。这些盐加热分解成一氢化铯或一氢化铷并释放大量的氢。由于实验是在两颗金刚石压砧之间进行，施加的压力是大气压的10万倍，多余的氢被挤压入碱金属的晶格空隙中，形成七氢化铯和九氢化铷，后者有两种不同的晶格。”
该项目研究人员表示，铯和铷是注定的天然储氢材料，因为它们的原子很大，晶体结构中有更大的空隙可供氢占据。这些化合物的形成不仅与团队的计算模拟一致，它们的存在也通过X射线分析、拉曼光谱和反射/透射光谱等多种实验手段得到了证实。
该团队计划下一步将使用大腔体压机在较低压力（约1万个大气压）下重复该实验，以获得更大量的铯和铷多氢化物，并将验证这些化合物在大气压下的稳定性。
这些新型储氢材料在高压下的实验研究得到了国家自然科学基金（NSFC，No.1231101238）、俄罗斯科学基金会 ( No. 22-12-00163)，北京市自然科学基金（No. IS23017）以及中国博士后科学基金（No.2023M740204）的资助。
