天然氢，即地质过程中自然形成的氢气，与当前主流的工业制氢方式不同，其生成过程不涉及化石燃料燃烧，真正实现了零碳排放。当天然氢的开采成本显著降低，它将毫无疑问地成为下一代清洁能源，因此具有独特的战略意义。
越来越多的地球和行星物理观测支持，地球乃至其他行星的内部蕴藏着巨大的天然氢潜在储量。作为宇宙中丰度最高的元素，原始氢可能在行星形成和演化过程中不断积累并存在于深部。例如，早期地球在高温高压环境下可能就富含氢气。随着地球的冷却和演化，一部分氢可能以游离态或含水矿物的形式储存在深部。高温高压实验通过模拟地球和行星深部环境，也证实了在极端条件下，氢可以固体等不同形式存在于地表以下数千公里的深处；甚至有观点认为，地核可能是地球内部最大的氢储库。然而，在超过三百万大气压以上的地核压力下，氢会呈现何种结构？它是否能够被开采？这些问题引发了科学界的广泛关注。
近期，由北京高压科学研究中心（高科）的毛河光院士、吉诚研究员（项目子课题骨干）团队与国内外多家科研院校的科学家合作，通过开发基于同步辐射纳米X射线束的超高压晶体学技术，取得了突破性进展。他们发现两百万大气压以上的极端高压下氢具有复杂的混合层状结构（第IV相），其中一层氢呈现出类石墨烯结构，层间穿插孤立成键的氢原子（如图所示）。前人研究表明，这一结构是金属氢的前驱相，在内地核和类地巨行星内部的几百万大气压超高压下保持稳定，它揭示了氢从简单的六方密堆结构向具有聚合形态的高压结构转变过程。研究表明，在氢进入第IV相后，其晶胞扩大了6倍，同时结构对称性降低。这一发现提供了氢在进入星球深部过程中发生聚合作用的实验证据，为利用深部氢能迈出了关键的第一步。相关成果以“Ultrahigh-pressure crystallographic passage towards metallic hydrogen”为题，发表于国际顶级学术期刊《Nature》[Ji et al., Nature, 641, 905-909 (2025)]。
在明确了天然氢的高压结构后，下一步的关键是如何利用其结构特点应用于深部天然氢的开采。该研究提出，可以借鉴石墨的开采过程。由于氢的层间结合力弱，在001晶面上易形成解理面，与其超高压稳定环境形成鲜明对比的是，固态天然氢的质地相对较软，相比于其他在深部硬度较高的矿石，直接开采天然氢的难度可能较低。层状的天然氢成矿后，会形成类似石墨的鳞片结构。为了保护天然氢鳞片的完整性，避免在开采过程中过度破碎，同时考虑到氢活跃的化学特性，开采时不宜使用爆破法。相反，应该利用其层状结构带来的良好可浮性。当天然氢鳞片从伴生矿物中分离出来后，再进行选矿。天然氢在深部的特殊结构决定了其开采策略。本工作从超高压实验的角度揭示了氢在地球和行星深部的层状结构，并认为地球深部可能是天然氢的最大储库。这项研究提出开采天然氢需要借鉴开采石墨的相关思路，为利用深部能源奠定了坚实的理论基础。
