隨著氣候變化的影響逐漸顯現，我們的地球面臨著創紀錄的熱浪、前所未有的風暴、歷史性的干旱和野火。科學家們將這些事件與大氣中的二氧化碳等溫室氣體聯系起來，而其中大部分是由人類活動產生的。科學家們正在探索將氫作為應對氣候變化的清潔能源，重點是通過水電解法生產氫，并將其用于運輸燃料電池，以實現到 2050 年凈零碳排放的目標。

但是，如果我們的飛機和汽車不向環境排放有害的溫室氣體，而是利用太陽或風力發電，以水為燃料呢？如果這種可再生燃料可以為電網提供后備電力，并且可以從全國各地的加油站購買呢？

在這段科學 101 視頻中，科學家 Debolina Dasgupta 和 Nancy Kariuki 介紹了氫能的科學、技術和應用。氫是最簡單的化學元素或原子類型，我們星球上的水中存在大量的氫。它可以通過水循環自然更新，用作燃料時也不會釋放有害物質。由于這些原因，氫氣可以在促進清潔環境和減少從交通到電網等領域的溫室氣體排放方面發揮重要作用。美國能源部阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）的科學家們正在利用世界一流的設施和專業知識來降低制氫成本，并為氫動力汽車開發經濟實惠的燃料電池。他們還在評估氫的生產、運輸、儲存和使用方法，以最大限度地減少溫室氣體排放。

科學家們正在努力利用氫氣中的能量將這一愿景變為現實，氫氣有望在促進更清潔的環境和實現美國到 2050 年實現碳凈零排放的目標方面發揮重要作用，換句話說，就是以與碳排放相同的速度從大氣中清除碳。

氫是最簡單的化學元素或原子類型。它僅由一個質子和一個電子組成。它也是最豐富的元素，約占宇宙中已知物質的 75%。水和生物體中都含有大量的氫。

我們星球上的水中蘊含著豐富的氫氣，它可以通過水循環自然更新。當用作燃料時，它不會釋放出碳，因此是一種很有前途的清潔能源。資料來源：阿貢國家實驗室

氫分子由兩個氫原子組成，可用于生產無碳能源。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中產生。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，因為電力可以來自核能或可再生能源，如風能和太陽能。科學家和工程師們正在努力改進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。電解質材料允許氫離子通過，但迫使電子單獨流向陰極，兩者在陰極重新結合形成氫氣，用作燃料。資料來源：阿貢國家實驗室

他們還在開發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化為氫氣的方法。

氫氣生產出來后，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存的化學能轉化為電能。與汽油發動機不同，燃料電池不會排放二氧化碳等有害氣體。與電池不同，燃料電池系統不需要長時間停機充電。與汽油發動機一樣，燃料電池系統也可以使用氫氣進行補充燃料。

氫可以在燃料電池中使用，也可以在發動機中作為燃料燃燒。科學家和工程師們正在努力改進這些技術，以取代化石燃料在交通和電網中的使用。資料來源：阿貢國家實驗室

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

美國能源部阿貢國家實驗室的科學家們正在利用世界一流的設施和專業知識推動氫科學和技術的發展。研究人員正在降低制氫成本，為氫動力汽車開發經濟實惠的燃料電池。他們還在評估氫的生產、運輸、使用和儲存方法，以最大限度地減少溫室氣體排放。