科学家最近发现一种新的储氢方法，即使用分子海绵来存储氢气。这种分子海绵由有机化合物和廉价的铝制成，可以在低压下存储大量氢气。这项研究最近发表在《美国化学学会杂志》上，表明这种材料可能接近于大规模市场应用，可以作为工业操作中的备用能源储备。

目前的储氢解决方案主要是将氢气压缩到700巴的压力，这是户外烧烤炉的丙烷罐压力的50倍。然而，高压储罐成本高昂，需要耗能的压缩机进行填充。即使如此，压缩到700巴的一升氢气所存储的能量还不到一升汽油的五分之一。

一些研究人员正在探索将氢气储存在盐岩洞穴中，但这种地质条件很少见，地下微生物可能会消耗氢气。金属氢化物或氨等化合物可以通过化学方式储存氢气。但是这些化合物必须经过一系列反应才能释放氢气，并重新充电可能会有困难。

MOFs（金属有机骨架）现在成为一种替代方案。这些多孔固体类似于分子玩具。金属原子作为中心，与有机连接体（含碳分子链）连接在一起。结果是一个具有通道和空隙的化学笼，可以捕获在低压下注入的气体。当压力解除时，氢气会流回其中。

2014年，加利福尼亚大学伯克利分校的化学家Jeffrey Long和他的同事报道了一项基于镍的MOF，可以存储创纪录的氢气量：每立方米23公斤，约为高压储罐的一半，但没有增加压力的危险和成本。

Hydrogen Storage with Aluminum Formate, ALF: Experimental, Computational, and Technoeconomic Studies | Journal of the American Chemical Society (acs.org)

Chemical cages could store hydrogen, expand use of clean-burning fuel | Science | AAAS

氢气似乎是一种完美的燃料。按重量计算，它的威力比其他任何燃料都要大。原则上，氢气可以通过水制成，这意味着供应潜力几乎无限。当燃烧或通过燃料电池运行时，氢气可以在不产生任何碳污染的情况下产生能量。但是，氢气占用的空间非常大，使得存储起来不太实际。压缩氢气有助于解决这个问题，但成本很高，基本上会把氢气储存罐变成高压爆炸物。

现在，一种由有机化合物和廉价铝制成的分子海绵，为实现储氢问题提供了一个实用的解决方案。上周在美国化学学会杂志上发表的一篇论文中描述了这种材料，它是一系列有前途的金属有机骨架（MOFs）中的最新成果，表明这种材料可能接近于大规模市场应用，可以作为工业操作中的备用能源储备。

“有史以来第一次，我们的吸附剂在实际应用中可能比压缩气体还要便宜，”劳伦斯伯克利国家实验室的化学工程师汉娜·布瑞尼格说，她帮助分析了使用铝 MOF 的经济性。在西北大学的化学家奥马尔·法哈看来，这表明“这个领域的进展速度真的令人难以置信”。

氢气已经广泛应用于工业化学品中，并且一直存在着储存问题。迄今为止，主要的解决方案是将氢气压缩到高达700巴的压力，这是户外烧烤炉的丙烷罐压力的50倍。但是，高压储罐成本高昂，需要耗能的压缩机进行填充。即使如此，将氢气压缩到700巴的一升氢气所储存的能量还不到一升汽油的五分之一。

一些研究人员正在探索将氢气储存在盐岩洞穴中——但这种地质条件很少见，地下微生物可能会消耗氢气。像金属氢化物或氨这样的化合物可以通过化学方式储存氢气。但是这些化合物必须经过一系列反应才能释放氢气，并且重新充电可能会有困难。

现在，MOFs 正在成为一种替代选择。这些多孔固体看起来像分子玩具。金属原子充当与有机连接体（含碳分子链）连接在一起的中心。结果是具有通道和空隙的化学笼，可以捕获在低压下注入的气体。当压力解除时，氢气会流回其中。

2014年，加州大学伯克利分校（UC Berkeley）的化学家杰弗里·隆（Jeffrey Long）和他的同事报道了一种镍基MOF，可以储存创纪录的氢气：每立方米23公斤，大约是高压储罐的一半，但不需要增加压力的危险和费用。

一个MOF不仅需要吸收大量的氢气；还必须轻松地释放氢气。理想的结合强度——用吸热测量——在每摩尔氢气15到25千焦耳（kJ/mol）之间。在这个范围之下，夹持力太松，氢气的自然能量足以使其从笼中滑脱。在这个范围之上，夹持力太紧，系统必须加热以推动氢气出来。“这就像是一个金发女孩区域，”国家标准与技术研究所（National Institute of Standards and Technology）的化学家海登·埃文斯（Hayden Evans）说。

镍基MOF具有近理想的结合能为14 kJ/mol，因为镍原子通过微弱的静电力吸引略带极性的氢分子，隆解释道。通用电气的子公司贝克休斯正在探索使用该材料储存从工业炉中捕获的氢气和二氧化碳。

2021年，隆和他的同事跟进了一个钒基MOF，它在金发女孩区域的中心以21 kJ/mol的吸热紧紧抓住了氢气分子。但是这些MOF储存的氢气比它们的镍基表亲少，因为只有一部分钒原子具有足够的正电荷数量来吸引氢气。

现在，铝制 MOF 的竞争正在上升，它的成本仅为镍的十分之一左右，为钒的十三分之一。在2022年，加州大学圣塔芭芭拉分校（UC Santa Barbara）的化学家安东尼·切特姆（Anthony Cheetham）和他的同事奠定了基础，他们报道了一种新型铝基MOF，看起来有潜力捕获二氧化碳。这种铝基MOF释放捕获的碳所需的能量比更传统的液体碳捕获化合物要少，其小孔尺寸自然排除了大气的主要组成部分——氮气。

现在，在《美国化学会杂志》（Journal of the American Chemical Society）的论文中，切特姆、埃文斯和同事们测试了这种铝基MOF的氢气储存能力。它储存的气体量仅为镍基MOF的三分之二。并且结合能仅为8.6 kJ/mol，必须将其冷却至约-100°C才能储存最大量的氢气。然而，切特姆表示原材料非常便宜，他预计这种 MOF 的成本仅为每公斤2美元。这将轻松击败每公斤10美元的社区目标，即由镍和其他更昂贵金属制成的 MOF 的生产成本。“很难想象任何一种 MOF 能像这个这么便宜，”美国能源部能源效率和可再生能源办公室（Office of Energy Efficiency and Renewable Energy）氢储存负责人齐里克·赫尔维（Zeric Hulvey）说。

这种适度的储存能力意味着这种新的 MOF 不太可能用于燃料电池车辆中的氢气储存，其中体积和重量是关键的限制因素。然而，低成本、低操作压力以及易于管理的冷却要求已经指向了一个实际的应用用途，赫尔维说：用于工业操作（如数据中心）中可替代柴油发电机的备用能源储存。

切特姆表示，他和他的团队希望展示他们能够大量生产这种铝基 MOF，而不仅仅是他们目前已经合成的那些公斤级 MOF。他们还致力于调整 MOF 的结构，通过添加少量铁和其他金属来激发 MOF 的反应，看看它们能否进一步提高其氢气储存能力。切特姆说：“还有很多化学上的东西有待探索。”