氢的物理和化学

氢能正日益受到广泛关注，已从最初的“氢经济”理念，逐步拓展至构建“氢社会”、实现“氢进万家”等更广阔的发展愿景。氢能涉及产业链的各个环节，涵盖的知识面更为广泛和深入。扎实掌握《氢的物理和化学》相关知识，将为从事氢能科学与技术工作奠定坚实基础。
本书系统梳理了氢能从氢形成、制备、储运到应用全链条中的关键物理与化学问题，共分为14章，内容涵盖自然界的氢、氢的基础物理与化学特性、材料中的氢行为、氢气的压缩与热学性质、氢的吸附溶解与扩散行为、氢的电输运特性、磁学特性、燃烧特性、电解水制氢与化学、燃料电池与化学、氢同位素与核聚变应用、氢内燃机与燃气轮机，以及氢还原和氢冶金等方面。为便于初学者理解，书中配有典型例题解析；同时为加深理解，各章后均附有习题供读者练习。
本书既适合立志投身氢能科学与技术的青年学生作为教材使用，也可供从事氢能相关研究、工程技术及科研管理工作的专业人员参考。

人类生存与发展的两大基石是食物与能源。食物的消耗量相对稳定，而能源的使用却经历了翻天覆地的变化，极大地推动了社会进步与生活品质的提升。然而，这种繁荣背后隐藏着对地球资源的透支——人类正以惊人的速度消耗着地质历史时期积累的“地质时间资本”。
化石能源（如煤、石油、天然气）是远古生物质经过亿万年地质作用形成的碳资源，本质上是地球演化过程中储存的太阳能。作为地球漫长演化留给人类的自然遗产，其形成过程极其缓慢，远低于人类当前的开采速率。这类能源属于不可再生的存量资源，其大规模使用相当于快速消耗地球历经数亿万年积累的“家底”。根据热力学定律与资源有限性原则，依赖化石能源的发展模式不可持续。人类必须转向太阳能、风能、氢能等可再生流量型新能源，实现能源供给与自然循环的协调统一。
人类日益意识到，地球生态系统面临着严峻挑战。要应对这一挑战，人类或需彻底调整现有生活方式，甚至退回到近乎原始的农耕生产模式以实现“碳中和”；或需积极拥抱全新的清洁能源体系，以此开辟可持续发展的新路径。在浩瀚的宇宙中，氢作为最古老、最普遍的元素，不仅是构成恒星的主要成分，也在生命起源与演化中扮演着关键角色。更重要的是，氢能是宇宙中主导性的能源形式，地球上的生命本质上依赖太阳的氢核聚变能量而存在。从宏观视角看，人类需要学会在宇宙氢能流的长河中“取水”；从局部实践出发，则需掌握并高效利用这一清洁、可再生的能源。实现从“存量透支”到“流量利用”的能源模式转变，是保障人类美好生活并实现可持续发展的根本路径。氢能作为全球能源科技革命的重要方向，也是我国未来能源体系的重要组成部分。
氢能产业链条长、覆盖领域广，涵盖制氢、储运、应用等多个关键环节。氢的物理与化学性质是氢能科学与技术发展的两大基础支柱，其重要性贯穿于全产业链的每一个环节。物理与化学不仅是理解氢能本质的理论工具，更是实现技术突破的源泉。未来氢能科技的进步，必将依赖于这两大学科的持续深化与交叉创新。
目前市面上的氢能书籍多侧重于工程技术应用，尚缺乏从物理与化学基础层面进行系统梳理与深入探讨的专著。本书旨在填补这一空白，系统阐述氢能从形成、制备、储运到应用全链条中的关键物理与化学问题，力求深入浅出，并提出若干创新见解。氢能领域的发展亟须具备扎实理化基础的综合型人才，只有深入理解氢的微观行为与宏观现象之间的关联，才能实现从实验室创新到产业应用的跨越。希望本书帮助从事氢能相关研究的科研人员与工程技术人员建立起对氢物理与化学本质的清晰认知，引导读者透过技术表象，从学科基础出发，洞察氢能全产业链的核心科学问题，为探索新研究方向、实现原创突破奠定基础。
《氢的物理和化学》全书分为三大部分：第一部分为“自然界的氢及基础物理与化学”，包括第1章自然界的氢、第2章氢的基础物理特性和第3章氢的基础化学特性；第二部分为“氢的关键性能”，包括第4章材料中的氢、第5章氢气压缩与热学性质、第6章氢的吸附溶解与扩散、第7章氢的电输运特性、第8章氢的磁学特性、第9章氢气燃烧特性；第三部分为“氢能应用中的物理与化学”，包括第10章电解水制氢与化学、第11章燃料电池与化学、第12章氢同位素与核聚变、第13章氢内燃机与燃气轮机、第14章氢还原与氢冶金。
在编写过程中，我们注重内容的前沿性、逻辑的严密性与表达的清晰性。全书通过图表等形式对关键知识进行可视化呈现，增强可读性与实用性；同时附有详尽的参考文献与专业索引，便于读者延伸阅读与深入研究。本书也力求融合科学性与人文视角，在严谨论述中体现科学探索的深度与广度。限于作者水平，书中难免存在不足之处，恳请广大读者批评指正。
本书的完成得益于李栓博士、王腾博士、邓霁峰博士、陈均博士、彭泽清女士的协助，感谢化学工业出版社袁海燕编辑的精心策划，也感谢家人的默默支持。
谨向所有为氢能事业发展做出贡献的科研工作者致敬，以此书献给所有对氢能充满好奇与热情的读者。

编著者
2026-1-20

第1章自然界的氢 1
1.1氢的形成和宇宙中的氢 1
1.1.1宇宙大爆炸 1
1.1.2氢燃烧与元素的形成 6
1.1.3宇宙中的氢 8
1.2太阳系中的氢 11
1.2.1太阳上的氢 11
1.2.2行星的形成与氢 13
1.3地球中的氢 18
1.3.1地壳中的氢 18
1.3.2地核中的氢 19
1.3.3天然氢气 21
1.4化石原料与氢 26
1.4.1煤炭的形成与氢 26
1.4.2石油和天然气的形成与氢 27
1.5氢的发现和研究发展 29
1.5.1氢的发现 29
1.5.2氢的研究发展 30
1.5.3氢逃逸至宇宙 31
参考文献 32
习题 34

第2章氢的基础物理特性 36
2.1氢与现代物理 36
2.1.1氢原子模型 36
2.1.2氢原子光谱 37
2.1.3量子力学理论 38
2.1.4薛定谔方程 38
2.1.5氢原子钟 40
2.1.6氘的发现 42
2.2氢气的结构和性质 43
2.2.1H2的分子结构 44
2.2.2氢气的核自旋异构体 45
2.2.3氢气的主要物理性质 46
2.2.4氢气的一些特异性能 49
2.3液态氢和固态氢 50
2.3.1液态氢 50
2.3.2固态氢 50
2.4金属氢 52
2.4.1金属氢的提出 52
2.4.2两类金属氢 53
2.4.3金属氢的制备 54
2.4.4金属氢的特性和可能应用 54
2.5反氢和反物质 55
2.5.1反氢 56
2.5.2反氢的特性 56
2.5.3反氢的合成 57
2.5.4反物质 59
2.6分数氢 60
参考文献 62
习题 63

第3章氢的基础化学特性 65
3.1氢原子和氢分子 65
3.1.1氢原子 65
3.1.2氢原子的两性特征 66
3.1.3氢分子 68
3.1.4氢分子结合能 69
3.1.5氢的成键特征 71
3.2氢气的可燃性、还原性和氧化性 74
3.2.1氢气的可燃性 75
3.2.2氢气的还原性 75
3.2.3氢气的氧化性 76
3.3氢的化学反应 76
3.3.1氢与非金属的反应 77
3.3.2氢与金属的反应 78
3.3.3氢与过渡金属的配位反应 78
3.3.4氢与金属氧化物的反应 80
3.3.5加氢和脱氢反应 80
3.3.6氢的其他反应 81
3.4氢化物的类型和特征 82
3.4.1概述 82
3.4.2金属氢化物 83
3.4.3主族元素与氢的共价型化合物 85
3.4.4配位氢化物 86
3.4.5高压氢化物相 87
3.5氢的能源特性 87
3.5.1氢气的能量 87
3.5.2氢能的高热值和低热值 88
3.5.3燃烧值 89
3.5.4氢能与其他燃料的比较 90
3.5.5输出最大功和能源效率 91
3.6氢与化学化工 92
3.6.1氢与环境 92
3.6.2氢与化工 94
3.6.3氢气疗法 100
3.6.4氢与植物 101
参考文献 103
习题 105

第4章材料中的氢 107
4.1金属中的氢 108
4.1.1氢进入金属的过程和状态 108
4.1.2氢在金属中的固溶位置 111
4.1.3金属中的氢固溶度 115
4.1.4金属中的氢固溶焓 119
4.2陶瓷和有机物中的氢 120
4.2.1氢在陶瓷中的侵入和扩散 120
4.2.2有机聚合物中的氢 121
4.3储氢合金 124
4.3.1储氢合金的发现 124
4.3.2储氢合金的热力学原理 125
4.3.3储氢合金的温度变化和焓变 126
4.4氢对材料性能的影响 129
4.4.1氢对力学、导电和磁性性能的影响 129
4.4.2超导MgB2的制备 129
4.4.3电化学性能的变化 131
4.5氢脆 134
4.5.1氢脆的种类 135
4.5.2氢脆的过程 136
4.5.3氢脆机制 138
4.5.4纳尔逊曲线 141
4.5.5氢脆的预防 143
参考文献 144
习题 148

第5章氢气的压缩和热学性质 150
5.1非理想气体 150
5.1.1气体状态方程 150
5.1.2氢气的气体状态方程 152
5.2气体的压缩 155
5.2.1不同气体的压缩 155
5.2.2氢气的压缩与做功 157
5.2.3氢气压缩过程的密度变化 159
5.3物质的热容 160
5.3.1固体物质的热容 160
5.3.2气体的热容 162
5.3.3热容与热力学参数 165
5.4气体的焦耳-汤姆孙效应 166
5.4.1节流膨胀 166
5.4.2焦耳-汤姆孙效应 167
5.4.3几种气体的焦耳-汤姆孙效应 169
5.5工程中的焦耳-汤姆孙效应影响 170
5.5.1氢气输运中的影响 170
5.5.2加氢站的设计 171
5.5.3高压容器的充氢 173
5.5.4与天然气的填充比较 176
5.6液氢的生产 176
5.6.1液氢的制备工艺 176
5.6.2氢气的仲化 178
5.6.3最小氢气液化功 179
5.6.4氢气液化的主要设备 180
参考文献 183
习题 185

第6章氢的吸附、溶解和扩散 187
6.1氢气的吸附 187
6.1.1等温吸附方程 187
6.1.2等温吸附线的类型 189
6.1.3氢气的吸附特点 190
6.1.4氢气纯化 191
6.2扩散理论 193
6.2.1气体扩散定律 193
6.2.2菲克第一定律 194
6.2.3菲克第二定律 195
6.2.4两端成分不受扩散影响的扩散偶 196
6.2.5扩散动力学与温度特性 198
6.3气体在液体中的溶解和扩散 199
6.3.1气体在液体中的溶解 199
6.3.2亨利定律 200
6.3.3液体中的氢气扩散 201
6.4氢在金属中的扩散 207
6.4.1氢在金属中的固溶 207
6.4.2氢在金属中的扩散机制 208
6.4.3金属中氢扩散的温度变化 208
6.4.4扩散系数的测量方法 211
6.4.5合金中元素的影响 211
6.4.6金属膜中的氢气扩散和分离 212
6.5氢在陶瓷中的扩散 214
6.5.1多孔陶瓷中的氢扩散 214
6.5.2陶瓷膜的氢气分离 216
6.6聚合物中的氢气渗透 217
6.6.1聚合物中的气体渗透机理 217
6.6.2聚合物膜的氢气分离 220
6.6.3电解槽隔膜中的氢扩散 221
6.6.4燃料电池隔膜中的氢迁移 223
6.6.5高压容器中的氢渗透 227
6.7氢气泄漏 229
6.7.1氢气泄漏现象 229
6.7.2高压泄漏口喷出的氢气扩散 230
6.7.3真空中材料中的氢气逸出 234
参考文献 235
习题 238

第7章氢的电输运特性 241
7.1物质的电导 241
7.1.1电阻率和电导率 241
7.1.2三种电阻率 241
7.2氢对金属导电的影响 243
7.2.1铌、锆、钛金属氢化物的电阻变化 243
7.2.2Pd和Pd氢化物的电阻变化 244
7.2.3稀土氢化物的电阻变化 246
7.3陶瓷中的氢传输和导电 250
7.3.1陶瓷导电的机制 250
7.3.2质子传导陶瓷材料 252
7.3.3氧化物质子传导机制 253
7.3.4质子陷阱 256
7.3.5质子陶瓷燃料电池 256
7.4有机物中的氢传输和导电 259
7.4.1共轭聚合物及共轭结构 259
7.4.2质子交换膜的种类 261
7.4.3质子交换中的质子传导机理 263
7.4.4质子交换膜存在的问题 266
参考文献 268
习题 269

第8章氢的磁学特性 271
8.1物质的磁性 271
8.1.1物质磁性的来源 271
8.1.2原子核磁矩 272
8.1.3物质的几种磁性体 274
8.2氢原子和氢分子的磁性 276
8.2.1氢原子的磁性 276
8.2.2氢分子的磁性 276
8.2.3氧分子的磁性 276
8.2.4水的磁性 278
8.3氢原子核的磁性 278
8.3.1氢核磁矩 278
8.3.2拉莫尔进动和共振 278
8.3.3氘的核电四极矩 281
8.4核磁共振氢谱和核磁共振成像 283
8.4.1核磁共振氢谱 283
8.4.2核磁共振成像 284
8.4.3MRI成像基本原理 285
8.4.4MRI成像应用 286
8.5氢原子的超精细结构 286
8.5.1氢原子的玻尔光谱 286
8.5.2氢原子光谱的精细结构 287
8.5.3氢原子光谱的超精细结构 288
8.6氢与材料的磁性 290
8.6.1过渡金属的磁性 290
8.6.2稀土金属的磁性 291
8.6.3稀土永磁材料的HDDR现象 293
参考文献 296
习题 296

第9章氢气燃烧基本特性 298
9.1燃烧热化学 298
9.1.1氢气和氧气的反应 298
9.1.2燃烧热 299
9.1.3绝热燃烧温度 299
9.1.4氢气燃烧基本特性 300
9.2氢气的燃烧特性 302
9.2.1最小着火能 302
9.2.2淬熄距离 304
9.2.3燃烧范围和自燃范围 307
9.2.4燃烧速度和火焰颜色 308
9.2.5氢气燃烧中的NOx的形成 312
9.3氢气的爆炸特性 313
9.3.1燃烧与爆炸 313
9.3.2爆轰波的特性 314
9.3.3爆燃转为爆轰的评估 316
9.4影响爆炸的因素 318
9.4.1温度（自燃温度） 318
9.4.2爆炸浓度范围 319
9.4.3压力 321
9.4.4容器形状和大小 321
9.4.5爆燃的成长 322
9.4.6安全性 322
9.5氢与其他燃料混合燃烧 324
9.5.1混合燃料层流燃烧速度 324
9.5.2氢气-甲烷混合燃烧 324
9.5.3氢气-乙醇混合燃烧 325
9.5.4氢-氨混合燃烧 326
参考文献 327
习题 328

第10章电解水制氢与化学 330
10.1水溶液及电极电位 330
10.1.1电解质电离 330
10.1.2电极电位 332
10.1.3电极电位与pH值 334
10.2水电解过程和特性 335
10.2.1水电解方程和电解池 335
10.2.2水电解理论电压值和热中性分解电压 338
10.2.3水电解能耗与物料的消耗 340
10.2.4水电解中的电极反应 342
10.2.5电极上的氢气和氧气析出 344
10.3水电解的实际电压 347
10.3.1极化现象 347
10.3.2氢超电位和氧超电位 348
10.3.3电阻过电位 349
10.3.4影响过电位的因素 351
10.4电解池的其他特性 353
10.4.1水电解的热平衡 353
10.4.2漏电流和逆电流 354
10.4.3催化剂及性能 356
10.4.4碱性电解槽和PEM电解槽的性能与材料 359
10.5其他制氢方法 362
10.5.1煤制氢 362
10.5.2天然气制氢 363
10.5.3甲醇裂解制氢 364
10.5.4氨分解制氢 366
10.5.5工业副产物制氢 367
10.5.6生物发酵制氢 368
10.5.7太阳光分解水制氢 369
10.5.8热化学分解水制氢 370
10.5.9制氢方法与成熟度 374
参考文献 376
习题 377

第11章燃料电池与化学 380
11.1燃料电池的分类与结构 380
11.1.1燃料电池的分类 380
11.1.2燃料电池的结构和电极反应 381
11.1.3常见燃料电池的特征比较 388
11.2燃料电池电动势和效率 389
11.2.1吉布斯自由能变化 389
11.2.2理论电功和电动势 391
11.2.3能源转换效率 393
11.2.4H2-O2系统燃料电池电动势 394
11.2.5CO-O2系统燃料电池电动势 395
11.2.6H2-O2系统燃料电池能源效率 395
11.2.7CO-O2系统燃料电池能源效率 396
11.3燃料电池实际工作电压（电极反应动力学） 397
11.3.1巴特勒-福尔默方程 397
11.3.2电压损耗 399
11.3.3电压、功率和效率随电流密度的变化 405
11.3.4工作条件的影响 407
11.4燃料电池关键材料 409
11.4.1燃料电池催化剂 409
11.4.2燃料电池中的材料腐蚀 412
参考文献 415
习题 416

第12章氢同位素与核聚变 419
12.1氢原子和同位素 419
12.1.1氢原子 419
12.1.2氢的同位素和同位素效应 419
12.1.3中子吸收和散射 425
12.1.4重水反应堆 426
12.2核聚变反应 428
12.2.1核聚变反应基本原理 428
12.2.2太阳上的核聚变 429
12.2.3地球上的核聚变 431
12.2.4核聚变武器 433
12.2.5核电池及氚电池 435
12.2.6氢和反氢的聚变反应 437
12.3核聚变反应堆（D-T反应） 438
12.3.1可控核聚变起源 438
12.3.2国际热核聚变实验堆 441
12.3.3核聚变堆系统 443
12.3.4核聚变炉内的氢 447
12.43He核能和资源 450
12.4.1D-T聚变反应堆的瓶颈 450
12.4.2其他核聚变反应的可能性 451
12.4.3对3He能源的期待 452
12.4.4人类走向太空的核能技术 454
12.5氢同位素分离 455
12.5.1氢同位素的分离浓缩 455
12.5.2氢同位素的分离方法 456
12.5.3氚的提纯回收 460
参考文献 461
习题 462

第13章氢内燃机与燃气轮机 463
13.1氢内燃机 463
13.1.1氢内燃机结构系统 464
13.1.2NOx的排放 471
13.1.3热效率和输出功率 474
13.1.4氢内燃机的运行 478
13.2氢燃料燃气轮机 481
13.2.1传统的燃气轮机 481
13.2.2氢燃气轮机 482
13.2.3氢燃气轮机的种类和特点 485
13.2.4氢燃气轮机的效率和功率 488
13.3氨内燃机和燃气轮机 491
13.3.1氨的特性和燃烧科学 492
13.3.2氨的分解 494
13.3.3氨内燃机 495
13.3.4氨燃气轮机 497
13.4醇类内燃机和燃气轮机 498
13.4.1醇的种类和基本特性 498
13.4.2乙醇汽油和内燃机 500
13.4.3甲醇内燃机和燃气轮机 501
参考文献 505
习题 508

第14章氢还原和氢冶金 509
14.1直接还原铁 509
14.1.1氢气直接还原铁 509
14.1.2直接还原铁的主要工艺 511
14.2直接还原铁的机理和特点 516
14.2.1氢基竖炉内主要反应 516
14.2.2氢还原铁的特点 517
14.3高炉氢冶金 519
14.3.1高炉中的CO2排放 519
14.3.2高炉富氢冶炼 521
14.3.3混氢冶金和全氢冶金 522
14.4氢还原的热力学和动力学 523
14.4.1O2分压和H2O分压的影响 523
14.4.2氢直接还原的热力学 524
14.4.3CO与H2还原的区别 528
14.4.4氢还原和铁的形成过程 531
14.5有色金属氧化物的氢直接还原 533
14.5.1氧化钨和氧化钼还原 533
14.5.2氧化钼还原 534
14.5.3镍氧化物还原 535
14.5.4稀有金属氧化物 536
14.5.5氢辅助镁热还原TiO2 537
参考文献 538
习题 541

索引 545