地下纯氢的发现正在重塑人们对这种丰富元素的认识及其作为清洁能源的潜力。
美国能源部正在资助相关研究以利用这一能源，项目重点是优化地下氢能的自然生产过程并使生产过程具备经济可行性。
地质氢能的前景
氢是宇宙中最丰富的元素，通常与其他元素结合，例如与水中的氧或甲烷中的碳。然而，在地下发现天然存在的纯氢矿藏使该假设受到挑战。这些隐藏储量因有望成为可再生零碳能源而受到关注。
美国能源部是关注这一新型能源的机构之一。今年，美国能源部向来自实验室、大学和私营企业的18个团队拨付2000万美元的研究经费，目标是开发能够从地下氢源生产经济高效、清洁燃料的技术。
这种资源被称为地质氢，当水与富含铁的岩石发生反应，导致铁氧化时，就会自然形成。麻省理工学院助理教授Iwnetim Abate的研究小组是此次也获得130万美元的资助，旨在确定在地下生产氢能的最佳条件。他们的工作将研究引发反应的催化剂、温度、压力和pH值等关键因素。最终目标是提高大规模生产的效率，使地质氢成为满足全球能源需求的可行、有竞争力的能源。
美国地质调查局估计，地壳中埋藏的地质氢可能高达数十亿吨。世界各地都发现了储量丰富的氢，许多初创公司都在寻找可开采的储量。Abate希望启动天然氢生产过程，采取“主动”方法，包括刺激生产和开采氢气。
奇普曼大学材料科学与工程系（DMSE）的开发教授Abate表示：“我们的目标是优化反应参数，使反应速度更快，并以经济可行的方式生产氢气。”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储能的新型化学方法。
全球利益和商业前景
在世界各国政府寻求石油和天然气的无碳能源替代品之际，人们对地质氢的兴趣日益浓厚。去年12月，法国总统马克龙表示，法国政府将提供资金来开采天然氢。今年2月，美国政府和私营部门的证明人向立法者报告了从地下开采氢的机会。
目前，商业氢气的生产成本为每公斤2美元，主要用于化肥、化学品和钢铁生产，但大多数方法都需要燃烧化石燃料，造成碳排放。利用可再生能源生产的“绿氢”前景光明，但每公斤7美元的价格高昂。
美国能源部负责领导地质氢能资助计划的高级研究计划局能源部（ARPA-E）项目主任道格拉斯·威克斯表示：“如果氢气的价格为每公斤一美元，那么在价格上将能与天然气相媲美。”
ARPA-E资助的获得者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，以及私营公司，包括Koloma（一家获得亚马逊和比尔盖茨资助的制氢初创公司）。这些项目本身多种多样，从应用工业石油和天然气方法生产和提取氢气到开发模型以了解岩石中的氢形成。目的是解决Wicks所说的“完全空白”中的问题。
“就地质氢而言，我们不知道怎样才能加速氢的生产，因为这是一种化学反应，我们也不太明白怎样设计地下以便安全地开采氢，”威克斯说。“我们正试图让各个团队发挥各自最优秀的技能，共同研究这个问题，希望整个团队能够在相当短的时间内给我们一个好的答案。”
地球化学家维亚切斯拉夫·兹贡尼克（Viacheslav Zgonnik）是天然氢领域的顶尖专家之一，他同意未知的领域很多，通往首个商业项目的道路也很长。但他表示，刺激氢生产（利用水和岩石之间的自然反应）的努力具有“巨大的潜力”。
“我们的想法是找到加速和控制这种反应的方法，这样我们就可以在特定的地方按需生产氢气，”天然氢能源公司首席执行官兼创始人Zgonnik说道。该公司是一家总部位于丹佛的初创公司，在美国拥有勘探钻探的矿产租赁权。“如果我们能够实现这一目标，就意味着我们有可能用模拟氢取代化石燃料。”
个人动机和创新
对于阿巴特来说，这个项目与他的个人关系十分密切。小时候，在埃塞俄比亚的家乡，停电是常有的事——每周有三天甚至四天都停电。闪烁的蜡烛或散发污染物的煤油灯常常是晚上做作业的唯一光源。
“对于家庭来说，我们必须使用木材和木炭来做家务，比如做饭，”阿贝特说。“这就是我高中毕业和来美国上大学之前的故事。”
1987年，西非马里钻井工人在钻井取水时发现了一个天然氢矿床，并引发爆炸。几十年后，马里企业家阿利乌·迪亚洛和他的加拿大石油和天然气公司利用这口井，用发动机燃烧氢气，为附近村庄发电。
迪亚洛放弃了石油和天然气，创办了全球首家氢能勘探企业Hydroma。该公司正在原址附近钻探油井，产出高浓度的氢气。
“因此，这个曾经以能源匮乏而闻名的大陆现在为世界的未来带来了希望，”阿巴特说。“了解这一点对我来说是一个完整的循环。当然，问题是全球性的；解决方案也是全球性的。但是，与我个人旅程的联系，加上来自我家乡大陆的解决方案，让我个人与问题和解决方案息息相关。”
规模化的实验
Abate和他实验室的研究人员正在制定一种液体配方，这种液体将引发化学反应，从而引发岩石中氢气的产生。博士后YifanGao说，这种液体的主要成分是水，该团队正在测试“简单”的催化剂材料，以加速反应，从而增加氢气的产量。
“有些催化剂非常昂贵且难以生产，需要复杂的生产或准备，”高说。“廉价且丰富的催化剂将使我们能够提高生产率——这样，我们不仅可以以经济可行的速度生产，而且可以获得经济可行的产量。”
发生化学反应的富含铁的岩石遍布美国和世界各地。为了在各种地质成分和环境中优化反应，阿巴特和高正在开发一种由人工智能软件和机器人组成的高通量系统，以测试不同的催化剂混合物，并模拟在不同地区的岩石上、在不同的外部条件（如温度和压力）下发生的情况。
“然后，我们测量了每种可能的组合产生了多少氢气，”阿巴特说。“然后人工智能将从实验中学习并向我们建议，‘根据我所学到的知识和文献，我建议你测试这种岩石的催化剂材料组合。’”
该团队正在撰写有关其项目的论文，并计划在未来几个月内发布其研究结果。
在开发出催化剂配方之后，该项目的下一个里程碑是设计一个可以满足两个目的的反应堆。首先，它配备了拉曼光谱等技术，可以让研究人员识别和优化提高氢气生产速率和产量的化学条件。实验室规模的设备还将为现实世界的反应堆的设计提供参考，该反应堆可以加速现场氢气的生产。
阿巴特说：“这将是一个植入地下的工厂规模的反应堆。”
这个跨学科项目还利用麻省理工学院机械工程系和DMSE的杨·绍霍恩（Yang Shao-Horn）的专业知识对催化剂进行计算分析，以及康奈尔大学科学家埃斯特班·加泽尔（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富含铁的超镁铁质岩层以及它们如何与水发生反应。
对于ARPA-E的威克斯来说，阿巴特和其他资助接受者提出的问题只是他们探索未知能源领域的第一步，也是关键的一步。
“如果我们能够了解如何刺激这些岩石产生氢气，并安全地将其提取出来，那么就真正释放了潜在的能源，”他说。然后，新兴行业将寻求石油和天然气的钻井、管道和天然气开采技术。“就像我想说的，这是一项赋能技术，我们希望在很短的时间内能够探明目标地点是否存在储量。”
