伴隨氫醫(yī)學和氫健康產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，制氫材料作為氫健康產(chǎn)業(yè)的關鍵一環(huán)也與時俱進，得以快速發(fā)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(jīng)陶瓷工藝成型/燒結(jié)研制出了礦物制氫材料系列產(chǎn)品，并獲得了5項國家授權(quán)發(fā)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(nóng)業(yè)等產(chǎn)業(yè)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(chǎn)權(quán)、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(yè)者。 我們首先了解一下常規(guī)的制氫技術都有哪些？ 常規(guī)制氫技術主要有化石燃料制氫、工業(yè)副產(chǎn)物制氫、水解制氫和生物質(zhì)制氫等。其中水解制氫是未來氫產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)應用最多，最有潛力的制氫技術，其在氫能源和氫健康產(chǎn)業(yè)的應用非常廣泛。電解制氫主要有堿性水電解和質(zhì)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(fā)現(xiàn)TiO2單晶電極光催化分解水從而產(chǎn)生氫氣這一現(xiàn)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(yè)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(jīng)陶瓷工藝成型，采用燒制或無機膠凝技術制成且遇水產(chǎn)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(chǎn)業(yè)的重要制氫技術。 以上制氫技術各有優(yōu)缺點，在不同的環(huán)境和產(chǎn)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(chǎn)業(yè)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(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的應用比較多。 
圖1 礦物制氫材料生產(chǎn)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(tǒng)一導致用戶難以分辨，加上材料質(zhì)量參差不齊，又沒有行業(yè)標準規(guī)范，致使礦物制氫材料的發(fā)展緩慢。木齊科技作為礦物制氫材料的頭部企業(yè)，與業(yè)內(nèi)專家?guī)捉?jīng)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(jīng)陶瓷工藝成型，采用燒制或無機膠凝技術制成且遇水產(chǎn)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(tǒng)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(fā)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(fā)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(chǎn)物為氫氧化鎂和氫氣，氫氧化鎂被包覆在礦物復合材料內(nèi)不會溶出，只有產(chǎn)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(chǎn)物為偏硅酸/二氧化硅和氫氣，偏硅酸在水中不穩(wěn)定易變成二氧化硅且被包覆在礦物材料內(nèi)。 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(huán)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(zhì)元素，提高氫水的PH值，更有利于水質(zhì)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(chǎn)品形態(tài)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(chǎn)品種類比較全的生產(chǎn)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(nóng)業(yè)和氫美容等產(chǎn)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(chǎn)品。陶瓷膜制氫濾芯是新開發(fā)的礦物制氫產(chǎn)品，采用壓濾式水解制氫原理，具有制氫效率高、水質(zhì)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(nóng)業(yè)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(zhì)。 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(jīng)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(jù)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(jīng)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(zhì)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(jīng)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(jié)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(xiàn)已獲得5項國家授權(quán)發(fā)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(tài)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(jié)構(gòu)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(quán)威檢測機構(gòu)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(wèi)生規(guī)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(zhì)元素。為了保證礦物制氫材料質(zhì)量，還進行了企業(yè)標準的備案聲明，從原料到產(chǎn)品進行了質(zhì)量控制。 礦物制氫材料與電解制氫技術的區(qū)別有哪些？ 電解制氫技術自英國發(fā)明，以歷經(jīng)100多年的發(fā)展，技術和產(chǎn)業(yè)都比較成熟，特別是在氫能源和氫健康產(chǎn)業(yè)的應用占到了95%以上。而礦物制氫技術才發(fā)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(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的應用，目前市場份額還比較少，但未來發(fā)展?jié)摿薮�。在氫健康產(chǎn)業(yè)，礦物制氫已經(jīng)顯現(xiàn)出較強的優(yōu)勢，特別是在很多制氫水設備中可與電解制氫完美結(jié)合，既解決了電解制氫水堿性小分子弱和無礦物質(zhì)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(jié)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(qū)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(zhì)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(zhì)。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(yōu)缺點 電解制氫技術以其高效、持續(xù)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(chǎn)業(yè)的應用發(fā)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(jīng)在氫水設備、富氫杯壺、氫農(nóng)業(yè)、煙酒醇化等產(chǎn)業(yè)進行了大量應用，并形成了一個新興的產(chǎn)業(yè)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(nóng)業(yè)等產(chǎn)業(yè)的應用，帶來更多的商業(yè)機會。 礦物制氫材料在凈水器的應用情況 凈水器經(jīng)過20多年的發(fā)展，傳統(tǒng)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?lián)Q代，不斷推陳出新，持續(xù)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(chǎn)業(yè)的發(fā)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(tǒng)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(xiàn)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(jīng)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(jié)合的制氫水工藝，應該未來氫水機的發(fā)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(jīng)成為一個大品類，礦物制氫材料在杯壺的應用發(fā)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(chǎn)品的細分大品類，在氫健康產(chǎn)業(yè)獨樹一幟。近年來，富氫杯壺逐步被市場認知，很多創(chuàng)業(yè)者進入氫健康產(chǎn)業(yè)首選就是開發(fā)和銷售富氫杯壺。經(jīng)過多年發(fā)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(qū)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�；蛑茪浯善瑑煞N材料。 未來的富氫杯壺將朝兩個方向發(fā)展，一是電解富氫杯和礦物富氫杯平分秋色，各自都占據(jù)一定的市場份額，穩(wěn)步協(xié)調(diào)發(fā)展，共同教育市場，以獲得更多的商業(yè)機會；二是新技術突破，產(chǎn)品獲得創(chuàng)新開發(fā)出低價、便捷制造富氫水的新型杯壺成為爆款產(chǎn)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(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到火車頭的作用。 氫農(nóng)業(yè)是個大產(chǎn)業(yè)，礦物制氫材料在氫農(nóng)業(yè)上的應用如何？ 氫氣生物學效應的研究主要除了在醫(yī)學方面外，可以調(diào)節(jié)農(nóng)作物、食用微生物和家畜的生長發(fā)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(jié)構(gòu)，進而調(diào)節(jié)農(nóng)作物生長。使用氫氣（H2）還可以提高農(nóng)產(chǎn)品的營養(yǎng)價值和采后品質(zhì)。研究人員還表明，氫氣（H2）的生物學功能是通過調(diào)控植物與微生物等體內(nèi)活性氧（ROS）、一氧化氮（NO）和一氧化碳（CO）信號級聯(lián)來介導的。上海交通大學和華南植物園研究所等單位發(fā)現(xiàn)H2可以調(diào)節(jié)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(fā)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(fā)現(xiàn)，在中草藥領域，對比試驗田數(shù)據(jù)采用氫氣種植金線蓮后，產(chǎn)量提升約30%，并能有效縮短生長周期。南京農(nóng)業(yè)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(tǒng)設計和藥物轉(zhuǎn)運及減毒增效等方面將發(fā)揮積極作用。上海中醫(yī)藥大學于觀貞教授研究結(jié)果，氫氣與中藥結(jié)合后經(jīng)老鼠給藥實驗發(fā)現(xiàn)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(yī)藥結(jié)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(yè)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(jié)果顯示產(chǎn)量可提高6-8%，菌菇出廠時間縮短2-3天，具有非常好的經(jīng)濟效益。 氫農(nóng)業(yè)是一個大產(chǎn)業(yè)，在鄉(xiāng)村振興的大背景下，氫農(nóng)業(yè)的市場潛力無限。電解制氫和礦物制氫都將在氫農(nóng)業(yè)獲得巨大的應用，同時兩種制氫技術結(jié)合也是氫農(nóng)業(yè)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(zhì)元素。 我國在氫農(nóng)業(yè)的應用發(fā)展走在了世界前面，但獲益企業(yè)還比較少。氫農(nóng)業(yè)的發(fā)展需要借力，需要巧勁，需要突破點，這些都是氫農(nóng)業(yè)獲得發(fā)展的必須條件。 礦物制氫材料在煙酒產(chǎn)業(yè)的應用 煙草回潮調(diào)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(fā)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(yè)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(zhì)和醇化效果，并在煙草加工、儲存和銷售過程中發(fā)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(jīng)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(zhì)。 礦物制氫材料是與氫健康產(chǎn)業(yè)同步發(fā)展起來的新型制氫技術，雖然應用產(chǎn)業(yè)還比較少，但未來市場潛力巨大。氫健康和氫農(nóng)業(yè)都需要一個突破點，不管是哪種制氫技術都要持續(xù)創(chuàng)新，為產(chǎn)業(yè)服務，為產(chǎn)品賦能，為用戶創(chuàng)造價值。 我們也相信隨著氫健康和氫農(nóng)業(yè)的發(fā)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(chǎn)業(yè)的一個突破點，帶動氫健康產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展成為家喻戶曉的大產(chǎn)業(yè)。 附：木齊科技是一家專注固態(tài)氫原料與產(chǎn)品供應鏈的高新技術企業(yè)。礦物制氫材料是木齊科技研制的新型固態(tài)制氫材料，已獲得國家5項授權(quán)發(fā)明專利。并成功應用于富氫杯壺、氫水設備、氫農(nóng)業(yè)和氫美容等產(chǎn)業(yè)。 |
