“金属氢”终于被制造出来了吗？

金属氢氢元素的一种存在状态，但不要认为金属氢是固体的，其实大部分情况下，金属氢都是液体（想想水银）。

为什么叫“金属”？

金属氢之所以被称为“金属”，是因为氢原子的唯一电子使得它可以表现得就像金属一样可以导电（想想IA族其他金属元素如锂、钠、钾等性质有一定的相似性质），但不同的是金属氢是一种超流体，具有超导性质（没电阻）。

在高压和高温下，金属氢才可以液体而非固体形式存在，科学家们认为，木星、土星和一些大型的气态行星因为内部重力形成的高压就会在其大气层下深处形成大量的金属氢。

上图：从透明的氢气转变为由原子紧密结合成的金属氢。只有钻石可以耐受这个压力强度。

金属氢人工制造出来了吗？

1996年3月，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的一组科学家报告说，他们偶然地首次制造出了金属氢，在数千开尔文的高温下压力大约为1 微秒，压力超过1,000,000个大气压，密度约为为0.6克 /厘米3。他们没有想到会产生金属氢，因为他们并不需要在实验中使用金属氢——只是个副产物，何况这实验的运行温度已经高于氢金属化的理论温度上限。之前的研究将固体氢气放在金刚石砧内压缩至高达2,500,000个大气压都没有检测到金属氢的存在。

上图：网络媒体报道《世界上唯一的金属氢样本消失了》

哈佛大学的制备的这丁点金属氢是世界上唯一稳定保存的金属氢样品。这份金属氢气的储存温度约为80开尔文（-193摄氏度和-316华氏度），而用来保存样品的两块钻石之间的压力非常高。

事故发生在2月11日，当时该团队正准备将这个珍贵的样品打包并运送到芝加哥的阿贡国家实验室进行进一步测试。原因可能是之前的一次测试导致钻石产生了破裂（钻石都能破裂？！OMG），从而导致装置失压，研究人员就再也没看到原来的金属色。

但这并不一定意味着制备的金属氢已经被破坏，因为样品厚度仅为1.5微米左右，钻石微孔单元的直径为10微米——是人类头发直径的五分之一（两块钻石凹凸相互挤压）， 因此这些金属氢也可能仍然保持稳定并聚集在某处，只是没找到而已。但另一种可能性是，钻石砧的压力泄掉，氢气就会变回气体，这表明金属氢在室压下无法稳定——这是研究预测的情况之一。

上图：金属氢的形成过程和原理示意。从左到右，依次从透明的分子氢到黑色的氢半导体再到原子化的金属氢。

为什么争着制造金属氢？

因为金属氢有这些潜在的用途：

上图：以液氢冷却的金属氢燃料单级火箭的各种参数预估。

结语

人类在实验室类已经多次成功地以不同的方式制造出了金属氢。液氢具有非常多实用价值，我们可以期待在未来数年内科学研究在液氢的制造方面有所突破。

2017年初，哈佛大学研究人员在《科学》上发文称，在高压低温下发现了金属氢，一时轰动科学界。如果这属事实，那么他们毫无疑问将获得诺贝尔奖。

金属氢是一种传说中的物质。元素有金属与非金属的差别，金属一般具有导电性，却具有金属光泽，基本在常温下为固体（只有汞为液体）；非金属，则一般为绝缘体，只有极少数属于导体（如碳）和半导体（硅）。

但按照粒子的构成，元素之间是能够在压力之下进行转换的，也就是说，金属可以变非金属，非金属也可以变成金属。如 在大约20年前， 分子氧已经被证明在大约100万倍大气压下变成了一种金属。

那接下来的问题就来了，氢，这种非金属，能变成金属吗？

80年前，科学家们就做出了这样的结论，但直到今天，我们还没有亲眼见到过金属氢。按照科学家们的论断，在太阳等恒星，以及行星内核，都有金属氢的存在。

理论应该是正确的，那么怎么才能把氢变成金属氢呢？

首先是极高的压力，大约相当于488万个大气压，然后还需要-200°上的低温，才能得到金属氢。哈佛大学正是在这一温度下宣布制成了金属氢的。

这是一个很神奇的过程，氢原子在高压之下排列越来越紧密，越来越紧密，最终它们肩并肩地占到了一起，最终也从透明变成了不透明。

金属氢如果一旦能够制备，那人类的材料史将会向前迈进超级一大步。

金属氢是一种类似金刚石（钻石），具有亚稳态的特性，即一旦形成，就不会再变回气体氢。而金属氢因为没有电阻，所以人类可以用它来实现梦寐以求的0损耗输电。

同时，以为金属氢里含有超级大的能量（形成过程耗费极大能量），所以它将是人类能源史的一次革命。火箭飞天如果用金属氢，那去个火星将不再困难。

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2017年1月26日，美国研究人员宣布可能最终能够产生金属氢，这是一种复杂而难以捉摸的状态，金属氢最早是在80多年前理论化的。

美国哈佛大学的兰加·迪亚斯博士和艾萨克·西尔维拉教授成功地将氢气冷却到-268℃，同时将其压缩到令人震惊的480万个大气压。

难以置信的高压是通过使用钻石砧座实现的。但这不是一个简单的方法。多年来，科学家们一直试图应对这种压力，直到现在科学家们才做到正确的设置。

金属氢以前从未制造过，因为钻石在达到足够高的压力之前就已经失效了，科学家不使用天然钻石，而是使用非常均匀的合成钻石，天然钻石具有不均匀性、内部缺陷和杂质。

标准状态下氢是一种分子气体，其原子成对结合，每个原子与另一个原子共享一个电子。当氢被放在钻石砧座之间时，压力增加。

在320万大气压的压力下，氢气变得不透明(因此得名黑色氢)并且也是半导体。但是只有更高的压力才能破坏分子键并产生金属氢相。这种气体似乎变成了金属，具有金属原子所具有的预期特性。科学家认为金属氢是固体，但无法通过实验证实这一点。

确认该实验是否可重复非常关键。虽然美国科学家非常自信，但其他人对此表示怀疑。

氢的这一特殊阶段最早是在1935年由魏格纳和亨廷顿预测出来的，从那时起，实现这一点就成了“高压物理学的圣杯”。但是维格纳和亨廷顿对必要压力的估计是错误的。他们认为金属氢可以在250000个大气压的压力下获得，几乎比哈佛研究人员声称的要小20倍。

为了科学，创造金属氢的能力不仅仅是科学的胜利。理解宇宙中最丰富元素的金属性质具有多学科影响。

金属氢被认为在压力消除后在室温下是亚稳定的，因此可以用于核聚变。它也被认为是高温超导体，如果得到证实，这将是一个超级性的突破。甚至天文学也可能从这一发现中受益——木星、土星和系外行星的核心可能由金属氢构成。

在水电解过程中，由于隔膜并不能绝对阻隔氢气和氧气相互渗透，特别是在氢与氧两侧压力相差大的情况下，又因为电解液是不断循环的，在分离器里，氢气、氧气和电解液是很难达到完全分离，所以工业上用水电解法制得的氢气里含有杂质氧，一般在0.5%以下。又由于制氢过程是气液共存的,所以氢气中还存在饱和含水量。这些杂质的存在，对于现代工业生产和科学研究是很不适应的。例如半导体材料硅的生产，对氢气中的含氧量要求在5ppm以下，含水量要求露点在 -50℃以下，不然的话，氧会溶解在硅里,改变单晶硅的电阻率,甚至导致导电类型的改变。又如金属高温热处理、粉末冶金、微电子电路、光导元件、化学合成等生产过程中,如果氢气中含有少量的氧或水分，那么高温下会使原材料发生氧化,这是因为高温下金属能直接与氧化合，也能夺取水中的氧形成氧化物，这将严重影响材料的质量。随着生产的发展和技术的进步,氢气的应用范围已越来越广泛工艺过程对氢的纯度要求也将越来越高。工业上纯化水电解氢的方法主要是催化脱氧加吸附干燥,纯氢中的杂质残含量<1ppm,露点可达-80℃，已能满足许多部门的需要，所以本章主要讲述此法。

当原料氢中各种组分较多，又对产品氢纯度要求很高时,可采用变压吸附法(见第一章及本章降压再生)钯合金膜扩散法、低温吸附法、金属无机膜分离法、金属氢化物法等,把多种杂质同时去除。

第一节催化脱氧

一、催化脱氧的原理

催化脱气就是利用催化剂(俗名触媒)使氢和存在于气体中的杂质氧发生化学反应而生成水,从而达到除掉杂质氧的目的:

为什么催化剂能够加快氢和氧之间的反应呢？目前虽然还没有彻底弄清楚原因，但人们认为：这与催化剂本身能大量吸附溶解气体的性质有关，因为当催化剂吸附溶解了大量气体之后，等于把气体浓缩了，这就增加了氢氧分子相互碰撞进行化学反应的机会，而当一些氢、氧分子发生了化学反应，放出热量使温度升高，又反过来促进其它氢、氧分子进行化学反应。

氢与氧的催化反应几乎都在催化剂表面进行，所以要加快反应速度就得增加催化剂的表面积，使氢与氧在催化剂表面有良好的接触条件；另外则要求气体能迅速地扩散到催化剂表面,增加氢与氧之间的接触机会，这就是要提高气体的流速。催化脱氧的气体流速,通常用空间速度来表示，所谓空间速度就是单位体积的催化剂，在单位时间里所能处理的气体体积，它的单位为“m3气体/m3催化剂·h“”简化为h。提高氢气的空间速度对催化脱氧有利，但气流流速不能无限加快，不能使氢与氧在催化剂表面还没有来得及反应就被气流冲走了，所以每一种催化剂都有一个适当的空间速度。

二、催化剂及其性能

脱氧催化剂活性最高的大多是元素周期表中第Ⅷ类展性重金属元素，如钯(Pd)、铂(Pt)、银(Ag)、镍-铬(Ni-Cr)、铜(Cu)等。把这些金属元素附在多孔性物质上，常用的载体有浮石、硅藻土、活性氧化铝、分子筛、硅胶、活性炭、碳纤维半导体粉末等；制作的方法有：机械混合、浸渍、共同沉淀、离子交换等方法。所制得的催化剂必须有合适的形状,巨大的表面积，足够的机械强度，良好的化学稳定性和耐热性。常用的氢气脱氧催化剂有以下几种：

1）0603型铜催化剂

它是用氧化铜附在在硅藻土上，制成直径6x6mm的颗粒，堆比重~1kg/L,工作温度为200~250℃，空间速度为3000~5000/h，当初含氧量为<1%时，脱氧后残含氧量<10ppm。该催化剂在使用前,应该用氢气或氢、氮混合气以3000/h的空速进行活化还原处理，当还原气出口温度升至200℃后,残含氧量达到所规定的纯度时即可投入使用。

它还可用于去除电解氧中杂质氢，反应式为：

脱氢时工作温度为200~250℃,气体空速为2000~3000/h，脱氢能力可根据需要而有所不同，残含氢量可达到<1ppm。

2) 651型镍铬催化剂

它是用镍、铬附在多孔性物质上,制成直径5x5mm的颗粒,堆比重为1.1~1.2kg/L，工作温度为50~100℃空间速度为5000~8000/h，当初含氧量<3%时，脱氧后残含氧量<5ppm。该催化剂在使用前，应该用氢气在200℃下，以3000~5000/h的空速进行活化还原4~5小时，当出口氢中含氧量达到要求，即可投入使用。活化后的催化剂呈黑色且有光泽遇空气要燃烧，长期不用时应充水或充氨保护,短期不用时，应保持气气正压，防止倒吸空气。如果原料气中存在碱雾、酸雾SO2、H2S、CO、NO2、NO等杂质，均会影响催化剂活性。

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