《International Journal of Hydrogen Energy》：Gold hydrogen: A review of an emerging energy resource evaluated through geochemical and computational advances
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地质氢的生成机制与运输机制研究进展。本文系统综述了地质氢（gold hydrogen）的生成途径，包括蛇纹石化、辐射分解、岩土相互作用等，并评估了计算模型在揭示水-矿物界面作用、Fe2?催化效应及氢扩散动力学中的价值。通过整合实验研究（如橄榄石中氢扩散实验）与理论模型，指出当前存在理论预测与实验观测的分歧，需构建多尺度研究框架，开发实验室反应器验证理论模型，推动地质氢规模化开发。
杰弗里·罗尚·德·利尔（Jeffrey Roshan De Lile）|王毅（Yi Wang）|张飞武（Feiwu Zhang）
中国科学院地球化学研究所关键矿产资源研究与勘查国家重点实验室，中国贵阳，550081
摘要
天然存在的地质氢，最近在基于颜色的分类中被称为“黄金氢”，是一种新兴的低碳能源资源。然而，其地球化学起源、地下积累和传输机制仍然不清楚。本文从两个互补的角度对黄金氢进行了系统的综合研究：（i）地球化学生成和迁移机制；（ii）相关矿物中氢形成的计算建模。首先，详细回顾了来自蛇纹石化、放射分解、土壤相关过程以及其他岩水相互作用等多种来源的氢生成过程，重点讨论了反应路径和控制变量。其次，系统评估了计算建模方法，从早期的简化矿物模型发展到能够探测特定矿物晶体表面与水相互作用、Fe2+离子的催化效应、可能的氢生成路径以及氢扩散动力学的现代模型。此外，还系统总结了在天然橄榄石和合成橄榄石等关键矿物中氢迁移机制的实验研究，以及矿物缺陷和电子捕获（极化子形成）对氢传输的影响。尽管取得了进展，但在完全阐明氢迁移机制和协调理论预测与实验观察结果方面仍存在重大挑战。我们认为，解决这些挑战需要一个多学科的框架。未来的发展方向是开发实验室规模的反应器模型，这些模型可以作为验证计算模拟的试验平台，完善地球化学假设，并最终实现氢生成和传输的预测模型。这种综合方法对于加速黄金氢作为可扩展低碳燃料的发展至关重要。
引言
几十年来，地质科学家们普遍认为地球大陆岩石圈中不存在大量的氢（H2），主要是因为在传统的石油和天然气勘探中很少检测到氢[1]。然而，已知地球地下和深海热液喷口会通过水-岩相互作用产生氢气[2,3]。这一发现源于大西洋中脊热液喷口产生的富含氢和甲烷（CH4）的流体[4,5]。尽管如此，大陆地区的氢存在现象常被视为异常现象[6],[7],[8]。然而，历史文献提供了不同的证据：从门捷列夫1888年在乌克兰煤矿中观察到氢[8]，到土耳其（11.3%）[6]和新西兰（75.8%）[7]的高浓度氢渗出，大陆岩石圈长期以来都显示出其生成潜力。此外，最近在前寒武纪大陆地下盐岩裂缝水中发现氢生成现象，为大陆岩石圈的氢生成提供了有力证据[9,10]，学术文献中这种氢通常被称为“白色氢”[11],[12],[13]，而在新兴的基于颜色的分类系统中则被称为“黄金氢”。后者将氢生成方法进行了分类，其中蓝色氢来自化石燃料，并结合碳捕获、利用和储存（CCUS）技术；绿色氢通过使用可再生能源的水电解产生；而黄金氢则是新兴的、潜在的天然可再生地质氢来源。因此，黄金氢是一种新兴的、具有革命性的天然氢来源。从地质环境中提取的黄金氢提供了一种成本效益高且低排放的能源资源，前提是勘探和生产方法继续进步。尽管具有这种潜力，但在全球数据库（如GLOGOS）中，氢的储量仍被严重低估，这通常是由于仪器的灵敏度不足、生物消耗以及氢的快速扩散[8,14]。
虽然之前的关于“黄金氢”的综述成功地记录了全球的氢分布[8]或描述了氢生成的广泛机制[8,12]，但本文通过倡导结合理论建模与实验室规模实验的综合方法，填补了这一关键空白。具体来说，我们通过评估现代地球化学生成机制并分析基于第一性原理的矿物-水相互作用计算模型如何验证或挑战现有实验结果，提供了系统的综合分析。最后，我们提出了一个概念框架，利用实验室规模的反应器作为实验类比，以弥合原子级理论模型与现场观测之间的差距。
章节摘录
天然氢的生成
地球地壳中天然分子氢的生成机制尚不明确。文献中提出了许多假设，包括蛇纹石化、水的放射分解、生物活动、水-橄榄石相互作用、地幔反应导致的水还原、地幔矿物中的羟基分解以及有机物的分解等，这些都表明地下氢的起源存在复杂性和不确定性[15,16]。尽管如此，水在其中起着重要作用
关于氢生成和扩散机制的计算洞察
《科学》（Science）杂志将天然分子氢的发现誉为2023年的重大突破，强调了氢在推动当前和未来能源领域实现零排放脱碳技术方面的巨大潜力[113]。此外，Ellis和Gelman的[114]模型预测鼓励投资于分子氢研究，以更好地理解这一可再生的高能量能源。尽管已有大量研究关于氢扩散和生成的实验研究
Mackwell和Kohlstedt首次报道了橄榄石中氢扩散和吸收的实验研究[177]。他们发现氢沿[47]晶体方向的扩散速度较快，并将其归因于氢化物（H?）离子的迁移，这些离子通过极化子形成将多余电荷传递给质子。确切的机制和多余电荷的来源仍存在争议。Fraver[178]提出了
挑战、机遇和未来研究方向
在本文中，我们按时间顺序介绍了可能的氢生成机制以及计算和实验研究，以了解这一有趣且发展迅速领域的进展。显然，偏见和仪器灵敏度的不足导致人们忽视了地质环境中天然氢的存在潜力。科学往往因偶然的发现而取得突破；在黄金氢的情况下，也是如此
结论
天然“黄金氢”作为一种潜在的能源资源的出现，需要地质建模范式的转变——从描述性地质化学转向综合的预测性建模框架。通过整合现场观测、实验室实验和计算研究，我们提出了一个多尺度框架，以弥合该领域的分析空白。
准确描述氢生成和传输的未来路径在于整合
CRediT作者贡献声明
杰弗里·罗尚·德·利尔（Jeffrey Roshan De Lile）：撰写初稿、验证、方法论、研究、形式分析、概念化。
王毅（Yi Wang）：撰写与编辑、可视化、验证、研究、形式分析。
张飞武（Feiwu Zhang）：撰写与编辑、监督、资源获取、资金筹集、概念化。
版权和许可
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利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
本工作得到了国家重点研发计划（项目编号：2024YFF0807500）和中国科学院的国际合作计划（项目编号：056GJHZ2024003FN）的支持。我们感谢Harsha Perera先生在本手稿修订过程中提供的宝贵帮助。JRD提到他的妻子LiYiLei对他的成功迁居中国起到了关键作用，她的坚定支持使这项工作成为可能。
