普遍认为，宇宙中最丰富的元素是氢，它主要存在于其他元素的旁边 – 例如与氧结合形成水，与碳结合形成甲烷。但是，地下天然氢气的存在打破了这种观念，并引起了人们对其作为潜在无限的无碳能源的关注。
美国能源部是其中一方感兴趣的机构，上个月向来自实验室、大学和私营公司的18个团队授予了2000万美元的研究拨款，以开发能够实现廉价、清洁燃料的地下技术。
地质氢气是指当水与富含铁的岩石反应时，铁氧化产生的氢气。麻省理工学院助理教授Iwnetim Abate的研究小组是获得拨款的研究项目之一，他们将利用他们获得的130万美元拨款来确定地下产生氢气的理想条件 – 考虑到催化剂引发化学反应的因素，温度、压力和pH值等。目标是提高大规模生产的效率，以具有竞争力的成本满足全球能源需求。
美国地质调查局估计，地球地壳中可能埋藏着数十亿吨的地质氢气。已经在世界各地发现了这种积累，并且有大量初创公司正在寻找可开采的沉积物。Abate希望推动天然氢气生产过程，采用“积极主动”的方法，刺激生产并收集气体。
“我们的目标是优化反应参数，使反应更快，并以经济可行的方式产生氢气，”材料科学与工程系（DMSE）的Chipman发展教授Abate说道。Abate的研究重点是设计可再生能源转型的材料和技术，包括下一代电池和用于能源储存的新型化学方法。
激发创新
在全球各国政府寻求无碳能源替代石油和天然气的时候，对地质氢气的兴趣正在增长。去年12月，法国总统埃马纽埃尔·马克龙表示，他的政府将提供资金来探索天然氢气。今年2月，政府和私营部门的证人向美国议员介绍了从地下提取氢气的机会。
目前商业氢气的制造成本为每公斤2美元，主要用于肥料、化学品和钢铁生产，但大多数方法涉及燃烧化石燃料，释放出加剧地球变暖的碳。以可再生能源生产的“绿色氢气”有着很大的潜力，但每公斤售价为7美元，价格昂贵。
“如果每公斤氢气的价格为1美元，从能源价格的角度来看，它与天然气具有竞争力，”能源高级研究项目署（ARPA-E）的项目主管道格拉斯·威克斯说道，该机构是领导地质氢气拨款计划的能源部门组织。
获得ARPA-E拨款的机构包括科罗拉多矿业学院、德克萨斯理工大学和洛斯阿拉莫斯国家实验室，以及包括Koloma在内的私营公司，后者是一家氢气生产初创公司，已获得亚马逊和比尔·盖茨的资金支持。这些项目本身多种多样，包括应用工业石油和天然气方法进行氢气生产和提取，以及开发模型来了解岩石中氢气的形成。目的是解决威克斯所说的“完全空白领域”的问题。
地质氢气领域的一位顶尖专家，地球化学家Viacheslav Zgonnik认为，未知因素很多，通往首个商业项目的道路也很漫长。但他表示，刺激氢气生产的努力 – 利用水和岩石之间的自然反应 – 具有“巨大的潜力”。
“我们的想法是找到加速这种反应并控制它的方法，以便我们可以在特定地点按需生产氢气，”总部位于丹佛的初创公司Natural Hydrogen Energy的首席执行官兼创始人Aliou Diallo说道，该公司在美国拥有用于勘探钻探的矿权。 “如果我们能实现这个目标，就意味着我们有可能用刺激的氢气替代化石燃料。”
“一个完整的循环时刻”
对于Abate来说，与这个项目的联系是个人的。作为埃塞俄比亚家乡的一个孩子，停电是常有的事情 – 每周三、四天都会断电。摇曳的蜡烛或排放污染物的煤油灯通常是晚上做作业的唯一光源。
“对于家庭来说，我们不得不使用木材和木炭进行烹饪等家务活，”Abate说道。“这是我一直到高中结束并在来美国上大学之前的故事。”
1987年，在非洲西部的马里，挖井人员为了寻找水源而钻井，意外发现了一个天然氢气储层，导致了一次爆炸。几十年后，马里企业家Aliou Diallo和他的加拿大石油和天然气公司利用这口井，使用发动机燃烧氢气为附近的村庄供电。
Diallo放弃了石油和天然气，创办了Hydroma，这是世界上第一个氢气勘探企业。该公司正在靠近原始地点的地方钻井，发现了高浓度的氢气。
“因此，曾经被称为能源贫困大陆的非洲如今为世界的未来带来了希望，”Abate说道。“了解到这一点对我来说是一个完整的循环时刻。当然，这个问题是全球性的，解决方案也是全球性的。但是，与我的个人经历的联系，以及解决方案来自我的家乡大陆，使我个人与问题和解决方案产生了联系。”
扩大实验
Abate和他的实验室研究人员正在制定一种液体配方，以诱导岩石中触发氢气产生的化学反应。主要成分是水，团队正在测试“简单”的催化剂材料，以加速反应，从而增加产生的氢气量，博士后高一帆说。
“有些催化剂非常昂贵且难以生产，需要复杂的生产或制备过程，”高说。“一种廉价且丰富的催化剂将使我们能够提高产量 – 这样，我们就可以以经济可行的速度生产，同时也能以经济可行的产量生产。”
发生化学反应的富含铁的岩石可以在美国和世界各地找到。为了在不同地质组成和环境条件下优化反应，Abate和高正在开发他们称之为高通量系统的人工智能软件和机器人技术，以测试不同的催化剂混合物，并模拟应用于来自不同地区的岩石时会发生什么，包括不同的外部条件，如温度和压力。
“然后我们测量每种可能组合产生的氢气量，”Abate说道。“然后人工智能将从实验中学习，并建议我们，‘根据我所学到的和根据文献，我建议你测试这种催化剂材料组合用于这种岩石。’”
该团队正在撰写一篇关于该项目的论文，并计划在未来几个月内发表研究结果。
在开发催化剂配方之后，该项目的下一个里程碑是设计一个具有两个目的的反应器。首先，配备了拉曼光谱仪等技术，它将使研究人员能够确定和优化导致氢气产生率和产量提高的化学条件。这个实验室规模的设备还将为设计一个可以加速地下氢气生产的现实世界反应器提供信息。
“那将是一个可以植入地下的工厂规模反应器，”Abate说道。
这个跨学科项目还利用了麻省理工学院机械工程系和DMSE的杨绍宏的专业知识，用于对催化剂的计算分析，以及康奈尔大学科学家Esteban Gazel的地质学和地球化学专业知识。他将专注于了解美国和全球范围内富含铁的超镁铁质岩石形成的情况以及它们与水的反应。
对于ARPA-E的威克斯来说，Abate和其他拨款获得者提出的问题只是未知能源领域中的第一步关键步骤。
“如果我们能够理解如何刺激这些岩石产生氢气，并安全地将其提取出来，那么它将真正释放出潜在的能源来源，”他说道。然后，新兴行业将寻求石油和天然气的钻探、输送和气体提取技术。“正如我喜欢说的那样，这是一种使能技术，我们希望在很短的时间内能够说，‘真的有什么东西吗？’”
