固态氢

固态氢（英文名：Solid hydrogen），是氢气的固态形式，可通过冷却至熔点-259.14°C以下制成。其为雪状固体，密度较低，为0.0807g/cm3（-262°C）。^[1][3][4][2]固态储氢的原理是在常温下通过氢气与合金发生化学反应，让氢原子进入金属的空隙中储存，需要释放氢气时，升高合金的环境温度即可。^[5]

1892年，英国化学家和物理学家杜瓦发明保存液化气体用的容器（杜瓦瓶）。1899年，杜瓦获得固态氢。^[6]1989年，毛河光和罗斯尔·赫姆雷发现在相当于250万倍大气压下，气态氢转化为具有导电性的黑色固态氢，^[7][8]并将固态氢的X射线衍射测量拓展至26.5GPa。^[8]2010年，Akahama等报道了在日本SPring-8光源开展的低温下氢的晶体结构测量，他们将氢在100K下的粉晶X射线衍射数据测量至183GPa。^[8]2019年，毛河光团队将氢的结构测量极限提升至250GPa。^[9]

2023年3月25日，中国首次将光伏发电制成固态氢能应用于电力系统。^[10]2025年，固态氢技术扩展至消费品领域，形成固态氢消费品品类。^[11]同年5月，由中国科学家领导的国际团队首次利用X射线纳米级探针观测到固体氢复杂的晶体结构，捕获了氢气处于固态和金属态之间的临界过渡态。^[12]

1872年，杜瓦（ James Dewar）制定出在低温下测量热容的方法，发现温度降低时热容减小。1892年，杜瓦发明保存液化气体用的容器（杜瓦瓶）。1898年，获得液态氢，1899年，杜瓦获得固态氢。^[6]

1989年，毛河光（Ho-Kwang Mao）和罗斯尔·赫姆雷（Russel Hemley）发现，在相当于250万倍的大气压的持续压力下，气态氢转化为导电性黑色固态氢。^[7][8]毛河光等在NSLS的X7A线站上基于能量散射和点探测器搭建了单晶X射线衍射采集设备，通过在同步辐射上复刻此前的信号采集方式，将固态氢的X射线衍射测量拓展至26.5 GPa。^[8]

在1996年之后的近15年时间里，文献中未报道固态氢的X射线晶体学的进一步突破。但20世纪90年代，基于单色X射线和平板探测器的粉晶衍射技术在高压领域得到了越来越多的应用，这得益于第三代同步辐射光源在使用波荡器插入件之后提供的更高亮度的射线束。2010年，Akahama等报道了在日本SPring-8光源(三代同步辐射光源)开展的低温下氢的晶体结构测量。通过使用单色光和平板探测器，他们将氢在100 K下的粉晶X射线衍射数据测量至183 GPa。^[8]2019年，毛河光团队创造性地提出两种新探测技术，成功将氢的结构测量极限提升至250GPa，不过照片清晰度仍远远不够。^[9]

2023年3月25日，中国重点研发项目固态氢能发电并网率先在广州和昆明同时实现，这也是中国首次将光伏发电制成固态氢能应用于电力系统。固态储氢装置能够储存200立方米的氢气，能源站通过氢能的制取、存储、发电、加氢一体化，实现“绿电”与“绿氢”之间的灵活转换，很好地解决了新能源发电的随机性、季节性、波动强的难题。整个项目存储的165公斤氢能，在用电高峰时，可持续稳定出力23小时、发供电2300度。^[10]2025年，固态氢技术扩展至消费品领域，形成固态氢消费品品类。^[11]2025年，毛河光团队捕获氢开始变“方”的证据，刷新人类对氢结构的认识。^[9]同年5月，由中国科学家领导的国际团队首次利用X射线纳米级探针观测到固体氢复杂的晶体结构，揭示了有史以来最详细的固体氢结构，这项新研究捕获了氢气处于固态和金属态之间的临界过渡态。^[12]

常态下氢是一种无色、无臭、无味、无毒的气体，在标准状况（温度为0°C、压力为101.325kPa）下的密度是0.08987g/L，是世界上最轻的物质。固态氢是雪状固体，密度是0.0807g/cm3（-262°C）。^[1]

在高压下，固态氢的晶体结构会从简单的六方密堆积（hcp）转变为更复杂的结构，如部分原子排列成蜂窝状图案的IV相。固态氢在极端高压下可能转变为具有导电性的金属氢，金属氢理论上是室温超导体，具有极高的能量密度，对于超导研究、高能燃料以及理解木星等气体巨星内部结构具有重要意义。^{[9][8][12][13][14][15]}

固态氢的制备主要分为用于基础科学研究的极端高压制备和用于实际应用的固态储氢材料制备两大类。^[12][16]

用于科学研究的固态氢主要通过金刚石对顶砧（Diamond Anvil Cell, DAC）等技术，在极低温或室温下对氢气施加数吉帕（GPa）至数百吉帕的高压使其固化。2025年，中国科学家利用金刚石压砧技术和X射线纳米探针，在212-245 GPa的压力下观察到了固态氢的复杂晶体结构。该技术的发展历程可追溯至1987年，科学家在5.5 GPa下首次观测到固态氢的X射线衍射信号。随后压力极限被逐步提升，1988年达到26.5 GPa，1996年达到119 GPa，2010年达到183 GPa，2019年达到254 GPa。^[12][9][8]

面向储氢应用的固态氢主要通过制备能够可逆吸附/释放氢气的固体材料来实现，通常在常温常压或较低压力（如≤3.5 MPa）下进行。主要技术路径包括储氢合金，如镁系、稀土系、钛系等合金，通过合金化与改性提升性能，部分材料的质量储氢密度可达1.8~7 wt.%。^[5][17][16]新型材料体系包括通过第一性原理计算设计的钛修饰鸢尾花型石墨烯（Ti-decorated Irida-Graphene, TIG），其理论储氢容量达7.7 wt.%；以及可在可见光（如阳光或LED）照射下释氢的分层氢化硅烷（Layered Hydrogen Silicane, L-HSi）。^[18][19]实际应用案例中，中国于2023年首次实现利用光伏发电制氢，并通过合金储氢材料实现常温下的固态氢储存与发电并网，储氢压力为2-3兆帕。^[16][17]

固态储氢技术可将光伏、风电等可再生能源转化为氢能高密度储存，并在用电高峰时稳定发电并网，解决新能源波动性问题。2023年3月25日，国家重点研发计划固态储氢开发项目在广东广州和云南昆明实现并网发电，首次将光伏发电制成的固态氢能应用于电力系统。存储的165公斤氢能在用电高峰时可持续稳定出力23小时。这项技术为绿电找到全新储存密码，把风能、太阳能转化的电能变成固态氢能储存，再根据电网需求灵活并网。^[16][17][20]固态氢材料技术通过可控缓释氢气，开创了名为“氢健康”的全新消费品类。通过材料纳米化、表面包覆等工艺，可将固态氢材料封装成微型模块，或与矿物材料、无纺布、中草药等载体融合，应用于银发康养、运动科学、医疗美容、智慧农业等领域。^[4]

理论预测金属氢是潜在的室温超导体。以固态氢为原料，在高压下合成的铋氢化合物展现出超导特性，例如BiH2在约163 GPa压力下超导转变温度达到62 K。对固态氢高压相变的研究，如对其IV相的研究，是理解其向金属氢转变、实现超导性能的关键基础。^[8][9][21]

金属氢作为高能燃料，其能量密度理论值极高，仅次于核能，因此被视为极具潜力的下一代火箭推进剂。对高压下固态氢结构相变的研究，是探索金属氢形成机制的核心。此外，天文学家认为木星、土星等气态巨行星内部可能存在由金属氢构成的海洋，因此在地球实验室中研究极端高压下的固态氢性质，有助于理解这些行星的内部结构与演化。^{[8][22][13][9][23]}

2025年，固态氢技术应用于消费品领域，形成固态氢消费品品类，利用固态缓释制氢技术，覆盖健康护理等多个场景。^[11]

固态储氢的原理是在常温下通过氢气与合金发生化学反应，让氢原子进入金属的空隙中储存。需要释放氢气时，升高合金的环境温度即可。相比于高压气态储氢和低温液态储氢，固态储氢的体积储氢密度高、充放氢压力低、安全性好，可实现氢能的跨季节长周期存储。固态储氢技术利用储氢材料，通过吸附作用将氢气储存在固体材料中，在常温低压条件下实现高密度的氢储。该技术储氢过程为将储氢材料填充入储氢瓶中，充入氢气后，储氢材料与氢气反应形成金属氢化物，此过程不仅实现安全地储存和运输氢气，而且实现了储氢材料的循环使用。^[16][5]

固态储氢材料体系多样，包括镁基、稀土系、钛系等储氢合金。^[5]此外，新型材料不断涌现，如钛修饰石墨烯（TIG）以及分层氢化硅烷（L-HSi）。其中，L-HSi由硅和氢按1:1的比例组成，具有高达3.44 wt.%的质量储氢容量，在常温常压下仅需可见光（如阳光或LED）照射即可释放氢气。固态储氢技术在常温低压下的体积储氢密度可超过110 kg/m³，是普通高压气态储氢的约20倍。材料质量储氢密度可达1.8~7 wt.%，储氢压力通常≤3.5 MPa。部分先进材料的充放氢循环寿命可达6000次以上，容量保持率超过90%。^[18][19]

固态氢运输相对安全，不存在氢气逃逸问题。然而，目前部分固态氢材料的能量密度较小，运输过程的整体能量效率相对较低，且技术未进入广泛应用阶段。固态储氢的应用形式多样，包括小型储氢瓶（用于两轮车、无人机等）、大型固定式储氢系统、集装箱式储氢以及氢能动力船（如“氢波一号”）。^[5][24][25]在能源领域，它可用于构建可再生能源电解水制储氢和热电联供系统，实现“绿电”与“绿氢”的灵活转换。此外，固态氢技术正拓展至“氢健康”等消费品领域，通过微型集成技术制成氢素模块，或与无纺布、中草药等载体融合，应用于康养、美容等领域。^{[5][16][4][20]}

固态氢（通常指固态储氢）在安全性方面相较于高压气态和低温液态储氢具有优势。固态储氢通常在常温、低压条件下进行，例如储氢压力为2-3兆帕或≤3.5兆帕，其反应在常温常压下进行，无需高压容器或复杂电路，本质安全性高。商业化固态储氢瓶的工作压力远低于传统高压加氢站。新型固态氢载体材料如分层氢化硅烷(L-HSi)在常温常压下稳定，仅需低强度可见光照射即可可控释放氢气。^{[16][17][5][19][4]}

固态氢储运技术同步推进，镁基储氢材料储氢密度持续提升，在叉车、无人机等场景开展了示范应用。^[25]

固态氢在超高压(大约80~240万大气压)条件下会变成稳定的或基本稳定的金属状态，称为金属氢。这是地球上至今还未发现的新物质。金属氢在室温下就具有超导性，这将使电气工业发生重大变革，大大缩小氢弹与聚变堆的体积。^[26]