隨著氣候變化的影響逐漸顯現(xiàn)，我們的地球面臨著創(chuàng)紀(jì)錄的熱浪、前所未有的風(fēng)暴、歷史性的干旱和野火。科學(xué)家們將這些事件與大氣中的二氧化碳等溫室氣體聯(lián)系起來，而其中大部分是由人類活動(dòng)產(chǎn)生的。科學(xué)家們正在探索將氫作為應(yīng)對(duì)氣候變化的清潔能源，重點(diǎn)是通過水電解法生產(chǎn)氫，并將其用于運(yùn)輸燃料電池，以實(shí)現(xiàn)到 2050 年凈零碳排放的目標(biāo)。

但是，如果我們的飛機(jī)和汽車不向環(huán)境排放有害的溫室氣體，而是利用太陽或風(fēng)力發(fā)電，以水為燃料呢？如果這種可再生燃料可以為電網(wǎng)提供后備電力，并且可以從全國(guó)各地的加油站購(gòu)買呢？

在這段科學(xué) 101 視頻中，科學(xué)家 Debolina Dasgupta 和 Nancy Kariuki 介紹了氫能的科學(xué)、技術(shù)和應(yīng)用。氫是最簡(jiǎn)單的化學(xué)元素或原子類型，我們星球上的水中存在大量的氫。它可以通過水循環(huán)自然更新，用作燃料時(shí)也不會(huì)釋放有害物質(zhì)。由于這些原因，氫氣可以在促進(jìn)清潔環(huán)境和減少?gòu)慕煌ǖ诫娋W(wǎng)等領(lǐng)域的溫室氣體排放方面發(fā)揮重要作用。美國(guó)能源部阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Argonne National Laboratory）的科學(xué)家們正在利用世界一流的設(shè)施和專業(yè)知識(shí)來降低制氫成本，并為氫動(dòng)力汽車開發(fā)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的燃料電池。他們還在評(píng)估氫的生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用方法，以最大限度地減少溫室氣體排放。

科學(xué)家們正在努力利用氫氣中的能量將這一愿景變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，氫氣有望在促進(jìn)更清潔的環(huán)境和實(shí)現(xiàn)美國(guó)到 2050 年實(shí)現(xiàn)碳凈零排放的目標(biāo)方面發(fā)揮重要作用，換句話說，就是以與碳排放相同的速度從大氣中清除碳。

氫是最簡(jiǎn)單的化學(xué)元素或原子類型。它僅由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子組成。它也是最豐富的元素，約占宇宙中已知物質(zhì)的 75%。水和生物體中都含有大量的氫。

我們星球上的水中蘊(yùn)含著豐富的氫氣，它可以通過水循環(huán)自然更新。當(dāng)用作燃料時(shí)，它不會(huì)釋放出碳，因此是一種很有前途的清潔能源。資料來源：阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

氫分子由兩個(gè)氫原子組成，可用于生產(chǎn)無碳能源。氫分子攜帶大量能量；一磅氫的能量幾乎是一磅汽油或柴油的三倍。

然而，氫分子在地球上并不豐富，只占大氣層的不到 0.0001%。因此，氫必須從含有氫的其他物質(zhì)中產(chǎn)生。不使用化石燃料的最常見制氫方法是利用電力將水（H2O）分離成氫（H2）和氧（O2）。這一過程被稱為水電解，是一種很有前景的無碳制氫方法，因?yàn)殡娏梢詠碜院四芑蚩稍偕茉矗顼L(fēng)能和太陽能。科學(xué)家和工程師們正在努力改進(jìn)水電解制氫工藝并降低其成本。

在電解過程中，水在陽極分裂成氧氣、氫離子和電子。電解質(zhì)材料允許氫離子通過，但迫使電子單獨(dú)流向陰極，兩者在陰極重新結(jié)合形成氫氣，用作燃料。資料來源：阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

他們還在開發(fā)通過利用和模仿光合作用等生物過程，將太陽能和水直接轉(zhuǎn)化為氫氣的方法。

氫氣生產(chǎn)出來后，有幾種使用氫氣作為能源的方法。最主要的是燃料電池，它能將氫氣和氧氣中儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)不同，燃料電池不會(huì)排放二氧化碳等有害氣體。與電池不同，燃料電池系統(tǒng)不需要長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)充電。與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，燃料電池系統(tǒng)也可以使用氫氣進(jìn)行補(bǔ)充燃料。

氫可以在燃料電池中使用，也可以在發(fā)動(dòng)機(jī)中作為燃料燃燒。科學(xué)家和工程師們正在努力改進(jìn)這些技術(shù)，以取代化石燃料在交通和電網(wǎng)中的使用。資料來源：阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

正在為汽車、卡車、叉車、公共汽車、輪船和火車開發(fā)的一種氫燃料電池將氫分子分裂成電子和質(zhì)子。電子被迫流經(jīng)電路，產(chǎn)生可用的電力。同時(shí)，質(zhì)子能夠通過薄膜，最終與電子重新結(jié)合，并與空氣中的氧分子發(fā)生反應(yīng)，生成水，這是唯一的排放物。

美國(guó)能源部阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們正在利用世界一流的設(shè)施和專業(yè)知識(shí)推動(dòng)氫科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展。研究人員正在降低制氫成本，為氫動(dòng)力汽車開發(fā)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的燃料電池。他們還在評(píng)估氫的生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用和儲(chǔ)存方法，以最大限度地減少溫室氣體排放。