氢气应用在哪些领域

性能决定用途，基于对氢气特性的认识，科学家们充分发挥氢气的价值，目前氢气主要应用于工业领域。随着国家“双碳”战略的颁布实施以及环保要求的提出，氢在能源领域的应用正在迅速拓展。而基于氢的还原性，一些前沿领域，如医学领域、农业领域，氢的应用也正在逐步兴起。

工业领域

氢是主要的工业原料，也是最重要的工业气体和特种气体，在石油化工、电子工业、冶金工业、食品加工、浮法玻璃、精细有机合成等方面有着广泛的应用。其中氢气用量最大的去处是合成氨和甲醇，其次是石油化工领域。

氢气是现代炼油工业和化学工业的基本原料之一，其最主要的用途是合成氨工业。我国是农业大国，同时也是合成氨生产大国。数据显示，2020年合成氨使用的氢气占我国氢气总消耗量的37%。氢气合成氨的化学反应式如下：

氢气可以用于合成甲醇，合成甲醇由于其生产成本较低且用途广泛，已成为有机化学工业的主要原料之一，亦为重要的石油化学品，其主要用途是制造甲醛，其次可以制造对苯二甲酸二甲酯（DMT）、甲基丙烯酸甲酯（MMA）、甲胺、聚乙烯醇、氯甲烷类、醋酸等，此外甲醇可作为溶剂与燃料，若有需要还可制取氢气。2020年合成甲醇使用的氢气占我国氢气总消耗量的19%。氢气合成甲醇的化学反应式如下：

石油炼制工业用氢量仅次于合成氨和甲醇。在石油炼制过程中，氢气主要用于石油加氢脱硫、粗柴油加氢脱硫、燃料油加氢脱硫、改善飞机燃料的无火焰高度和加氢裂化等方面。随着我国环保要求日益严格，国内汽油、煤油、柴油及润滑油的质量指标大幅度提高，炼油过程中使用大量的氢气进行加氢裂化、加氢精制来改善油品质量，因而近年来对氢的需求增长很快。数据显示2020年炼油用氢占我国氢气总消耗量的10%。图1-31所示为目前加氢裂解汽油的一种主要流程。

氢气最主要的用途是合成氨工业。据统计，近年来在我国，合成氨使用的氢气约占氢气总消耗量的80%以上。国内合成氨市场已经逐步进入稳定的状态，产量和产能也呈现相对稳定的状态。合成氨用的氢大部分是由天然气、石油或重油的蒸气转化或部分氧化制取。

在半导体行业，高纯氢发挥重要作用。在晶体的生长与衬底的制备、氧化工艺、外延工艺中以及化学气相淀积（CVD）技术中，均需要用到氢气。半导体工业对氢气纯度要求极高，一般要求达到5N级（9.999 9%），微量杂质的“掺入”将会改变半导体的表面特性（见图1-32）。

在食品加工工业中，氢作为添加剂发挥重要的氢化作用。如对人造黄油、食用油、洗发精、润滑剂、家庭清洁剂及其他产品中的脂肪氢化。图1-33所示为脂肪氢化原理反应式。

能源领域

氢是一种理想的二次清洁能源，不仅航天工业使用液氢作为燃料，日常生活中，汽车、轮船、火车都可用氢作为燃料。氢也可以用来发电，现在科学家们正在研究天然气掺氢，不久的将来还可用氢来烹饪美食。氢在能源领域的主要应用如图1-34所示。据国际氢能委员会预计，未来氢能在我国终端能源体系的占比将达10%，将逐步成为我国能源战略的重要组成部分。氢能源将在本书第2章中详细介绍。

医学领域

十几年的氢医学研究表明：氢不仅具有选择性抗氧化作用，还具有抗炎症、抗细胞凋亡的作用。研究发现氢对人类常见的70多种慢性疾病（模型）都有很好的防治作用。人们不仅可以通过喝氢水、吸氢气来达到健康的目的，随着固态氢的研制，利用氢制成药物也成为可能。图1-35给出了目前常见的一些医学氢产品形式。氢医学将在本书第3章中详细介绍。

农业领域

随着氢医学的发展，氢对其他生物的积极影响引起人们关注。研究发现：氢对植物具有促进生长、提高抗逆性的作用，氢可提高农产品产量和品质，对农产品具有保鲜作用。氢对养殖业也具有积极作用。氢气不仅让鸡鸭猪长得更快，还可以减少瘟疫的发生。开发氢肥和氢饲料成为研究热点（见图1-36）。氢农学将在本书第4章中详细介绍。

随着科技的发展，氢的研究应用已从工业、能源领域拓展到了生物医药和农业领域。虽然目前氢在医学和农业领域的作用机理尚不清楚，但相信通过科学家的不断研究，氢的价值将不断被挖掘，期待未来能够揭示氢的更多奥秘。