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一文厘清礦物制氫材料與應用 |
| 發布日期：2024年07月22日 閱讀：615 |
伴隨氫醫學和氫健康產業的發展，制氫材料作為氫健康產業的關鍵一環也與時俱進，得以快速發展。木齊科技利用金屬/非金屬水解制氫原理，將制氫材料與多種礦物進行復合，經陶瓷工藝成型/燒結研制出了礦物制氫材料系列產品，并獲得了5項國家授權發明專利。十多年來，礦物制氫材料在凈水設備、富氫杯壺、煙酒醇化、食用菌和氫農業等產業得到了應用，并出口到日本、韓國、歐美等10多個國家，已初步形成了一個新賽道。本文就礦物制氫材料的定義、制氫原理、知識產權、功能特點及應用進行了梳理，以饗希望全面了解和正在應用礦物制氫材料的從業者。 我們首先了解一下常規的制氫技術都有哪些？ 常規制氫技術主要有化石燃料制氫、工業副產物制氫、水解制氫和生物質制氫等。其中水解制氫是未來氫產業的主流制氫技術，它是通過各種方式將水中的氫水解成氫氣，是目前應用最廣的一種制氫方式，主要有金屬水解制氫、礦物水解制氫、電解水制氫、光解水及激光水解制氫等。以下是最常用的幾種水解制氫技術介紹。 電解水制氫是氫產業應用最多，最有潛力的制氫技術，其在氫能源和氫健康產業的應用非常廣泛。電解制氫主要有堿性水電解和質子交換膜（PEM）純水電解制氫，還有高溫蒸汽電解和固體氧化物電解制氫。這幾種電解制氫技術中，PEM純水電解制氫潛力比較大，堿性水電解制氫比較成熟，固體氧化物電解制氫還處于實驗室階段。 光解水制氫技術始自1972年，由日本東京大學Fujishima A和Honda K兩位教授首次報告發現TiO2單晶電極光催化分解水從而產生氫氣這一現象，從而揭示了利用太陽能直接分解水制氫的可能性，開辟了利用太陽能光解水制氫的研究道路。該技術還需要大幅提高光解效率才能商業化應用，目前還處于實驗研究階段。 礦物水解制氫是利用鎂基/硅基/鋁基/鈣基等金屬或非金屬礦物制氫材料或其氫化物與多種礦物材料復合，經陶瓷工藝成型，采用燒制或無機膠凝技術制成且遇水產氫的礦物復合制氫材料。礦物水解制氫以其制氫/儲運方便、應用簡單正成為氫產業的重要制氫技術。 以上制氫技術各有優缺點，在不同的環境和產品上可應用不同的制氫技術。電解制氫效率高，制氫量大，主要應用于氫能源和氫健康的制氫設備，但存在一次投入高、維護成本高等問題；光解水制氫是一種比較理想的制氫方式，該技術還處于實驗室階段，目前受制于制氫效率低，從而影響產業化應用。礦物水解制氫主要是應用方便、儲運安全，特別是在氫健康和氫農業產業的應用比較多。
圖1 礦物制氫材料生產設備 那么，什么是礦物制氫材料？ 礦物制氫材料是木齊科技定義的一個新名詞。過去，該類制氫材料叫法頗多，例如鎂粒/鎂球、富氫球/富氫石、水素球等等，由于名稱不統一導致用戶難以分辨，加上材料質量參差不齊，又沒有行業標準規范，致使礦物制氫材料的發展緩慢。木齊科技作為礦物制氫材料的頭部企業，與業內專家幾經討論后對礦物制氫材料進行了重新定義。 礦物制氫材料是指利用金屬/非金屬或其氫化物等制氫材料與多種礦物材料復合，經陶瓷工藝成型，采用燒制或無機膠凝技術制成且遇水產氫的一種礦物復合制氫材料。 那么，為什么叫礦物制氫材料呢？這些可以水解制氫的材料主要有鎂基、硅基、鈣基和鋁基等或其氫化物、硼氫化物。鎂基、鋁基是金屬礦物制氫材料，硅基和鈣基是非金屬礦物制氫材料，所以統稱為礦物制氫材料比較合適。
圖2 礦物制氫顆粒、制氫瓷片、陶瓷膜制氫濾芯 礦物制氫材料的制氫原理 礦物制氫材料是通過與水反應制氫。其中，鎂基礦物制氫材料的原理是利用鎂與水發生水解反應制取氫氣，硅基礦物制氫材料的原理是利用納米硅與水發生反應制氫。 反應方程式為:Mg+2H2O=Mg(OH)2+H2↑。 反應方程式為：Si+2H2O＝SiO2（H2SiO3）+2H2↑。 鎂基礦物制氫材料的反應產物為氫氧化鎂和氫氣，氫氧化鎂被包覆在礦物復合材料內不會溶出，只有產生的氫氣通過礦物制氫材料的微納米通道釋放出來。 硅基制氫材料的反應產物為偏硅酸/二氧化硅和氫氣，偏硅酸在水中不穩定易變成二氧化硅且被包覆在礦物材料內。 為何要將金屬/非金屬制氫材料與礦物材料復合？ 首先是安全問題，鎂基材料有易燃性，將其與礦物材料復合具有較強的惰性，安全性得到保障。再就是與礦物材料復合后可提供催化反應的微電解環境，更有利于提高制氫效率和可控釋氫。還有就是礦物復合制氫材料水解制氫的同時，可溶出豐富的礦物質元素，提高氫水的PH值，更有利于水質的改善。 目前，上市銷售的礦物制氫材料主要有鎂基和硅基兩種，產品形態有制氫顆粒、瓷片和陶瓷膜制氫濾芯三種。 在礦物制氫材料的研制方面，木齊科技走在了前列，也是制氫產品種類比較全的生產廠家。制氫顆粒有鎂基和硅基，其適用水溫范圍寬，水溫越高制氫越快。主要應用于富氫杯壺、氫水機、氫農業和氫美容等產品。制氫瓷片型有鎂基和硅基，因其采用壓制工藝制成，常溫水反應較慢，更適用開水/熱水制氫，水溫越高制氫越快。主要應用于富氫杯壺、氫美容等產品。陶瓷膜制氫濾芯是新開發的礦物制氫產品，采用壓濾式水解制氫原理，具有制氫效率高、水質干凈無粉塵等特點，可適用冷熱水。陶瓷膜制氫濾芯主要應用于氫水機和氫農業等領域。 礦物制氫材料所制氫水除了含氫外，還有什么功能特點？ 礦物制氫材料水解制氫成的富氫水具有五種功能特點，分別是富含氫、負電位、弱堿性、小分子團和富含礦物質。 所制的氫水含氫濃度可達1500ppb以上，負電位（ORP）達到-200mv以下。負電位是指水的氧化還原電位（ORP），是用來衡量水的氧化性和還原性的指標。正常飲用水的氧化還原電位值在正的100mv左右，而礦物制氫材料制造的氫水氧化還原電位（ORP）為-200至-500mv，具有較強的還原性。飲用負電位會不僅可緩解運動后的肌肉酸痛，對抗疲勞也有效果。 礦物制氫材料制成的富氫水弱堿性在8-8.5之間，若浸泡時間長則會達到9-9.5。水分子團O17半峰寬可達到45Hz。水分子團大小一般采用O17的半峰寬來判斷，半峰寬越大說明水分子團越大，越小說明水分子團越小。正常飲用水的O17的半峰寬為80Hz以上，而礦物制氫材料經復旦大學分析測試中心檢測O17的半峰寬為45Hz，是比較好的小分子團水。 礦物制氫材料是根據德國諾爾登瑙洞窟泉水的制氫原理，模擬洞窟巖壁礦物成分，在水中浸泡或水流經時會溶出微量元素，主要有鎂、鋅、鈣、偏硅酸等微量元素，這些礦物質可提高水的堿性，降低水的氧化還原電位值。
圖3 礦物制氫抗氧化和小分子團水實驗演示 礦物制氫材料獲得的專利有哪些？ 礦物制氫材料自上市以來，歷經多次技術升級迭代。不僅研制出硅基和鎂基等礦物制氫材料，還結合了多種新材料技術，比如石墨烯技術、合金催化技術、無機膠凝技術等。木齊科技將這些新技術申報了多項國家專利，現已獲得5項國家授權發明專利： （1）石墨烯激活制氫材料及其制備方法和應用（2016 1 0480766.3） （2）固態負載氫氣材料及其制備方法和應用（ZL2023 1 0033992.7） （3）制造富氫水合金陶瓷材料及其制備方法和應用（ZL2015 1 0456288.8） （4）礦物陶瓷材料、陶瓷基儲制氫材料原料組合物、陶瓷及儲制氫材料及顆粒制備方法及應用（ZL2021 1 0656140.4） （5）多元核殼結構的無機抗菌凈水功能球及其制備方法（ZL 2022 10958043.5） 為了保障礦物制氫材料的安全性和功能性，木齊科技在第三方權威檢測機構進行了檢測。在SGS進行了安全性檢測，完全符合國家飲用水衛生規范指標要求；在復旦大學進行了O17的半峰寬檢測，證實是比較小的分子團水；在復達進行了氫氣含量檢測，達到萬級ppb氫氣釋放量；在博譜進行了微量元素溶出檢測，可溶出鎂、鈣、鋅、鉀、偏硅酸等礦物質元素。為了保證礦物制氫材料質量，還進行了企業標準的備案聲明，從原料到產品進行了質量控制。 礦物制氫材料與電解制氫技術的區別有哪些？ 電解制氫技術自英國發明，以歷經100多年的發展，技術和產業都比較成熟，特別是在氫能源和氫健康產業的應用占到了95%以上。而礦物制氫技術才發展不到20年，其模擬德國諾爾登瑙洞窟巖礦制氫水的原理制成，主要是在氫健康和氫農業產業的應用，目前市場份額還比較少，但未來發展潛力巨大。在氫健康產業，礦物制氫已經顯現出較強的優勢，特別是在很多制氫水設備中可與電解制氫完美結合，既解決了電解制氫水堿性小分子弱和無礦物質等問題，又可增強鎖氫時間和制氫壽命。所以未來電解氫和礦物氫結合應用是制氫水設備的一種新工藝。我們主要從以下三個方面對兩種制氫技術的區別進行分析。 A、兩種制氫技術的適用水溫不同。礦物制氫材料適用水溫比較寬0-100℃，可以開水制氫。而電解制氫適用常溫水，水溫不能超過60℃。 B、制造的水質功能不同。礦物制氫材料制造的富氫水是五種特性，既富含氫、負電位、弱堿性、小分子團和富含礦物質。而電解富氫杯制造的水只含氫和負電位。 C、使用方式不同。礦物制氫材料不用電，電解制氫需要插電或充電才可制氫。
表1 電解制氫與礦物制氫技術優缺點 電解制氫技術以其高效、持續制氫等特點成為主流的制氫應用技術，但因其制造成本和維護成本較高導致售價高、成交慢等問題限制了其在氫健康產業的應用發展。而礦物制氫技術相對于電解水制氫，具有使用方便、成本低、免維護、高頻消費等特點，應用范圍在不斷擴大，更容易正在走進千家萬戶。 礦物制氫材料已經在氫水設備、富氫杯壺、氫農業、煙酒醇化等產業進行了大量應用，并形成了一個新興的產業賽道。2024年木齊科技與武漢理工大學開展了硅氫陶瓷膜的研制與應用，將進一步提升礦物制氫材料在煙酒醇化和氫農業等產業的應用，帶來更多的商業機會。 礦物制氫材料在凈水器的應用情況 凈水器經過20多年的發展，傳統凈水功能的需求已趨于飽和。就像手機、家電一樣，凈水器也需要更新換代，不斷推陳出新，持續滿足新時代用戶的需求。如今，飲用富氫水已成為一種新的消費時尚，越來越多的老百姓因氫受益。 富氫水機是制造富氫水的終端設備，可以飲用、做飯、洗菜等多種用途深得消費者喜愛。伴隨氫健康產業的發展，氫水機的走紅也為凈水器功能升級，走出困境提供了較好的路徑。凈水器采用的凈水工藝主要有超濾、納濾和反滲透等凈化水技術，這些技術的目的是將水凈化成干凈水或純凈水。而礦物富氫水機是在傳統凈水器工藝不變的基礎上，通過在凈化濾芯后置加裝礦物制氫濾芯來實現制造富氫水。 不管是家用和商用凈水機上應用礦物制氫濾芯，已經成為未來凈水機升級迭代的新路徑。凈水機可以用制氫顆�；蛱沾赡ぶ茪錇V芯。制氫顆粒在應用過程中存在表面掉粉、制氫效率低等問題影響了其應用。陶瓷膜制氫濾芯采用壓濾式制氫技術，具有制氫水干凈、制氫濾芯效率高等特點正在成為制氫水機的首選礦物制氫材料。 木齊科技倡導的電解氫和礦物氫結合的制氫水工藝，應該未來氫水機的發展趨勢。
圖4 礦物制氫材料在凈水設備和杯壺應用 富氫杯已經成為一個大品類，礦物制氫材料在杯壺的應用發展怎么樣？ 富氫杯壺以其使用方便、市場認知度高等特點，已形成一個氫產品的細分大品類，在氫健康產業獨樹一幟。近年來，富氫杯壺逐步被市場認知，很多創業者進入氫健康產業首選就是開發和銷售富氫杯壺。經過多年發展，富氫杯壺也形成了電解富氫杯壺和礦物富氫杯壺兩個大品類。正如電解制氫和礦物制氫的區別一樣，兩種技術在杯壺的應用也導致其不同。 礦物富氫杯壺已進入市場多年，并在國際市場占有一席之地。特別是在中國市場，礦物富氫杯壺制品主要多用于喝開水/泡茶，這恰恰是礦物富氫杯壺的特點之一。富氫杯壺一般應用礦物制氫顆粒或制氫瓷片兩種材料。 未來的富氫杯壺將朝兩個方向發展，一是電解富氫杯和礦物富氫杯平分秋色，各自都占據一定的市場份額，穩步協調發展，共同教育市場，以獲得更多的商業機會；二是新技術突破，產品獲得創新開發出低價、便捷制造富氫水的新型杯壺成為爆款產品，迅速占領市場，走進千家萬戶，讓更多人認知氫健康，為氫健康產業的發展起到火車頭的作用。 氫農業是個大產業，礦物制氫材料在氫農業上的應用如何？ 氫氣生物學效應的研究主要除了在醫學方面外，可以調節農作物、食用微生物和家畜的生長發育，增強它們對各種脅迫的耐受性。更重要的是，氫氣（H2）還可以改變土壤中微生物的群落結構，進而調節農作物生長。使用氫氣（H2）還可以提高農產品的營養價值和采后品質。研究人員還表明，氫氣（H2）的生物學功能是通過調控植物與微生物等體內活性氧（ROS）、一氧化氮（NO）和一氧化碳（CO）信號級聯來介導的。上海交通大學和華南植物園研究所等單位發現H2可以調節包括馬齒莧、當歸、粗葉榕（根部）等中藥材的主要活性成分含量、種子發芽率或耐鹽性。這也為含氫水（HRW）在中草藥領域應用提供了理論基礎。 上海交通大學丁文江院士團隊研究發現，在中草藥領域，對比試驗田數據采用氫氣種植金線蓮后，產量提升約30%，并能有效縮短生長周期。南京農業大學等專家也提出氫氣在中藥材種植、加工、保鮮防蟲、藥物給藥系統設計和藥物轉運及減毒增效等方面將發揮積極作用。上海中醫藥大學于觀貞教授研究結果，氫氣與中藥結合后經老鼠給藥實驗發現藥效可提升3-6倍。木齊科技在全國率先提出氫中藥概念，并先后與廣西金秀、貴州從江進行了礦物制氫/瑤醫藥結合。
圖5 硅氫制氫顆粒在食用菌的應用論文 木齊科技研制的硅氫陶瓷材料已在山東省淄博市某食用菌企業開展平菇、香菇、猴頭菇等培植實驗6個月。將硅氫陶瓷顆粒與培植基按一定比例混合培植菌絲和菌菇，實驗結果顯示產量可提高6-8%，菌菇出廠時間縮短2-3天，具有非常好的經濟效益。 氫農業是一個大產業，在鄉村振興的大背景下，氫農業的市場潛力無限。電解制氫和礦物制氫都將在氫農業獲得巨大的應用，同時兩種制氫技術結合也是氫農業應用的大勢所趨，可以更好的提供作物所需的氫氣和礦物質元素。 我國在氫農業的應用發展走在了世界前面，但獲益企業還比較少。氫農業的發展需要借力，需要巧勁，需要突破點，這些都是氫農業獲得發展的必須條件。 礦物制氫材料在煙酒產業的應用 煙草回潮調濕是通過對煙葉進行加濕處理，可以改善其口感和香氣，同時也有利于煙草的儲存和使用。煙葉加濕工藝在煙草加工、儲存和銷售過程中發揮著重要作用。自2020年始，木齊科技先后與中國煙草總公司旗下石家莊卷煙廠、廣東中煙工業有限責任公司旗下廣州卷煙廠、紅塔煙草（集團）有限責任公司開展合作，利用礦物制氫材料制成的氫氣溶于水中，使其具有低氧化還原電位和小分子團簇，這種特性可增加煙葉品質和醇化效果，并在煙草加工、儲存和銷售過程中發揮著重要作用。 礦物制氫材料也在多家白酒廠家進行了應用，可以醇化酒的口感，縮短白酒的窖藏周期，提高白酒的PH值等特性。在白酒的應用主要是制氫顆粒和陶瓷膜制氫濾芯，將白酒通過設備流經礦物制氫顆�；蛑茪錇V芯，瞬間改變白酒的口感，提升酒的品質。 礦物制氫材料是與氫健康產業同步發展起來的新型制氫技術，雖然應用產業還比較少，但未來市場潛力巨大。氫健康和氫農業都需要一個突破點，不管是哪種制氫技術都要持續創新，為產業服務，為產品賦能，為用戶創造價值。 我們也相信隨著氫健康和氫農業的發展，礦物制氫材料的應用也會逐步放大。我們也更希望礦物制氫材料能夠成為氫健康產業的一個突破點，帶動氫健康產業快速發展成為家喻戶曉的大產業。 附：木齊科技是一家專注固態氫原料與產品供應鏈的高新技術企業。礦物制氫材料是木齊科技研制的新型固態制氫材料，已獲得國家5項授權發明專利。并成功應用于富氫杯壺、氫水設備、氫農業和氫美容等產業。 |
