氣態氫
通常，氫以氣態形式存在。其性質(物理和化學性質)、制備、儲存和運輸將在以下章節中詳細討論。
液態氫
在壹定條件下，氣態氫可以轉化為液態氫。
我們先來看看液氫的生產。當氫作為燃料或能源載體時，液氫是較好的使用和儲存方式之壹。因此，液氫的生產是氫能開發和應用的重要環節之壹。氫氣的轉化溫度很低，最高是20.4 K，所以只有將氫氣冷卻到這個溫度以下，然後節流膨脹才能產生液氫。
常溫下，正氫或標準氫(n-H2)含有75%的正氫和25%的仲氫(正氫和仲氫是氫的兩種同構)。壹般認為分子是由兩個自旋方向不同的原子組成的。當兩個原子核都順時針旋轉時，它們的自旋方向是平行的，這就是正氫。當兩個原子核的自旋方向反平行時，就是順氫)。常溫以下，正-次態的平衡組成會隨溫度變化。在氫氣液化過程中，產生的液氫是正氫，正氫會自發地發生正-次級態轉變，最終達到相應溫度下的平衡氫。因為氫氣的正二次轉化會放熱，液氫會氣化；前24小時液氫損失約為18%，100小時後損失超過40%。為了獲得標準沸點的平衡氫，即二次氫濃度為99.8%的液氫，在氫的液化過程中必須進行正-二次催化轉化。
生產液氫通常有三種方法，即節流氫液化循環、帶膨脹機的氫液化循環和氦制冷氫液化循環。節流循環是由德國的林德和英國的漢普森在1859年獨立提出的，所以也被稱為林德或漢普森循環。1902年，法國的克勞德首次實現了用活塞式膨脹機的空氣液化循環，所以用膨脹機的液化循環也叫克勞德液化循環。氦制冷氫氣液化循環以氦為制冷工質，氦制冷循環提供氫氣冷凝液化所需的冷量。
從氫氣液化的單位能耗來看，液氮預冷加膨脹機的液化循環最低，節流循環最高，氦制冷氫氣液化循環居中。如果以帶膨脹機的液氮預冷循環為比較基準，節流循環的單位能耗高出50%，氦制冷氫液化循環高出25%。因此，帶膨脹機的循環效率最高，但流程簡單，沒有低溫運行的部件，運行可靠，在小型氫氣液化裝置中應用廣泛。氦制冷氫氣液化循環消除了搬運高壓氫氣的危險，運行安全可靠。但氦制冷系統設備復雜，在氫氣液化中應用不廣泛。
接下來，我們來說說凝膠液氫(膠態氫)。液氫雖然是壹種液體，但它有很多不同於普通液體的特性。比如液氫分子之間的締合很弱；液態範圍很窄(-253℃~-259℃)；液態氫的密度和粘度很低；液氫的極性很小，電離度很低或者不電離。壹般來說，液氫的物理性質介於惰性氣體和其他低溫液體之間。除了氦以外，什麽都不能溶於液態氫。
液態氫主要用作燃料。作為火箭燃料，液態氫有以下缺點:
(1)低密度。固體推進劑密度為1.6 ~ 1.9克∕ cm3，可貯存液體推進劑密度為1.1 ~ 1.3克∕ cm3，液氫密度僅為0.07克∕ cm3。(2)溫度分層；(3)蒸發率高，造成相應的損失和危險；(4)液氫在貯箱內晃動，導致飛行狀態不穩定。
為了克服液氫的不足，科學家提出液氫要進壹步冷凍，產生液氫和固體氫的混合物，也就是雪泥氫，以提高密度。或者在液氫中加入膠凝劑，形成膠凝液氫，即膠態氫。膠態氫和液氫壹樣處於流動狀態，但是密度很高。
與液氫相比，膠態氫具有以下優點:
(1)安全性增加。膠凝後的液氫粘度增加了65438±0.5 ~ 3.7倍，降低了泄漏帶來的危險。
(2)蒸發損失減少。液氫凝膠化後，蒸發率只有液氫的25%。
(3)密度增加。在液氫中加入35%的甲烷，密度可以提高50%左右。在液氫中加入70%(摩爾比)的鋁粉，密度可以提高300%左右。
(4)液體晃動減少。液氫膠凝後，液面晃動減少20% ~ 30%，有利於長期儲存，並可簡化儲罐結構。
(5)比沖提高(比沖是內燃機的術語，也叫比推力，是發動機推力與每秒消耗的推進劑質量之比。比沖的單位是牛秒/千克)，提高了發射能力。
固態氫
固態氫具有許多特殊的性質，因此是科學家們多年來追求的目標。
如何制備固態氫？當液氫進壹步冷卻到-259.2℃時，可以得到白色的固體氫。
固態氫的用途主要表現在:
壹個是做壹個冷卻器。固態氫可以在特殊制冷中發揮作用。有這樣壹個例子，天文探測器因為氫氣冷卻器故障而失效。
1999年3月4日，美國國家航空航天局發射了壹顆名為“寬視場紅外探測器(WIRE)”的人造衛星。根據計劃，255公斤的探測器將使用30厘米紅外望遠鏡研究星系的形成和演化。望遠鏡是壹個非常敏感的儀器，需要使用固態氫的低溫冷卻系統。固態氫的升華可以使其保持在-267℃(近似絕對零度)的低溫。最初設計時，只要望遠鏡對準深空，采用固態氫的低溫冷卻系統就可以持續工作4個月。但當控制器向其發出指令，導致衛星出現故障時，固體氫提前升華，升華速度非常快，形成氣流，使衛星以60轉/分的速度旋轉，最終失敗。
二是高能燃料。物理學家指出，金屬氫也可能是壹種高溫高能燃料。現在科學家們正在研究壹種“固態氫”宇宙飛船。固態氫不僅用作航天器的結構材料，也用作航天器的動力燃料。在飛行過程中，飛船上所有非重要的部件都可以轉化為能量並被“消耗”。這樣，飛船可以在宇宙中飛行更長的時間。
三是高能炸藥。氫氣是壹種極其易燃的氣體。當它被壓成固態時，其爆炸力是最強炸藥的50倍。目前還沒有人在實驗室做出這種固態氫，但壹直是軍方研究的目標。
那麽固態氫在什麽條件下會變成金屬呢？在高壓下，分子固態氫可能變成金屬。
壹些計算表明，在300吉帕的壓力下，固態氫應該通過重疊分子相本身的帶而變成金屬。現在，研究人員已經獲得了高於這壹壓力的光譜測量值，即高達320千兆帕。雖然尚未發現金屬氫，但首次觀察到帶隙隨密度的明顯定量變化。在這種壓力下，氫氣變得完全不透明，但這種所謂的“黑氫”並不是金屬。據預測，直接帶隙的閉合應該發生在大約450吉帕斯卡的壓力下，這是人們探索金屬氫的下壹個目標。
根據物理學的理論研究，金屬氫在壹定條件下也可以轉變成超導體。
大多數人會奇怪為什麽有人會想到把氫變成金屬。確實發生了壹些有趣的故事。
1989年5月，美國華盛頓卡內基研究所的毛鶴匡和拉塞爾·赫姆勒宣布，他們已經把氫氣壓縮成250萬標準大氣壓的固態氫。這種氫不僅密度高(0.562 ~ 0.8g/cm3)，而且具有金屬導電性，是壹種儲能密度極高的能源材料。
氫氣在室溫下是不導電的氣體。卡內基學院是怎麽想到研究導電金屬氫的？原來在化學元素周期表中，氫、鋰、鈉、鉀、銣、銫、鈁都屬於同壹個IA族，但除了氫以外的成員都是金屬，所以氣態氫在高壓下可能變成導電的金屬氫。第壹，氫和鋰、鈉、鉀等元素是同源元素，有“親緣”關系；第二，從金屬特性分析，氫可能被壓成金屬氫。
基於這種分析，毛和寬和赫姆利開始了實驗。他們將高純度的氫氣放入鉆石之間能承受極高壓力的密封裝置中，在-196℃的低溫下逐漸加壓至250萬個大氣壓。結果表明，氣態氫從透明狀態逐漸變成棕色，最後變成有光澤的不透明固體，其導電性也發生變化，從絕緣變成半導體，再變成導體。於是他們於5月初在美國地球物理協會報告了實驗結果，1989。
但兩年後，有人對這壹結果表示懷疑。美國科爾內爾大學的亞瑟·洛(Arthur Lough)和克雷格·範德伯格(Craig Vanderberg)認為，毛和匡的實驗容器中裝有紅寶石粉末，紅寶石的主要成分是氧化鋁。勞夫和範德伯格認為，可能是氧化鋁和氫在高壓下形成鋁金屬，而不是真正的金屬氫。而且毛和匡此後也沒有報道過研究金屬氫的進展。
可見制造金屬氫有多難。估計可能需要幾代人的努力才能有所突破。目前，美國、俄羅斯、日本等國家都宣布通過高壓技術觀測到了金屬氫的現象，但去掉壓力後，金屬氫就變成了普通氫。因此，雖然金屬氫對人們有很大的吸引力，但要想在常壓下獲得穩定的金屬氫，還有許多困難需要克服。
但樂觀的科學家認為，這個問題總有壹天會得到解決，因為石墨在高溫高壓下變成金剛石後，可以在室溫下長期穩定存在。因此，盡管困難重重，科學家們仍然鍥而不舍地從事金屬氫的研究。
毛和匡和赫姆利也認為，研究金屬氫有兩層含義:壹是金屬氫有望成為高溫超導體，還可以作為核聚變的燃料，即能量密度高、無汙染的能源；第二，對金屬氫的研究也有助於解決理論物理和天體物理中長期未解決的壹些問題。例如，天文學家在觀測太陽系中的土星、木星、天王星和海王星時，發現了金屬氫核。他們非常渴望知道在什麽樣的高壓和高溫下氫會變成金屬氫。
金屬氫壹旦問世，就像之前蒸汽機的誕生壹樣，會在整個科技領域引起劃時代的革命。
金屬氫是壹種亞穩態物質，可以用來制作“磁籠”來約束等離子體，“容納”熱的電離氣體。這樣，受控核聚變反應可以將原子核轉化為電能，既便宜又清潔，在地球上建造“模仿太陽的工廠”將會很方便，人類最終將解決能源問題。
金屬氫是壹種室溫超導體，將擺脫超導技術的低溫負擔。超導材料是無電阻的優良導體，但研制成功的超導材料的超導轉變溫度大多在-250℃左右，嚴重限制了超導體的應用。金屬氫是壹種理想的室溫超導體，因此可以充分展示其魅力。
用金屬氫輸電，可以取消大型變電站，輸電效率在99%以上，可以使世界發電量增加1/4以上。如果用金屬氫做發電機，重量不到普通發電機的10%，輸出功率可以提高幾十倍甚至上百倍。
金屬氫也有很大的軍事價值。現在的火箭使用液氫作為燃料，所以必須做成類似保溫瓶的大容器，以保證低溫。如果使用金屬氫，可以制造更小、更靈巧的火箭。當金屬氫應用於航空技術時，可以大大提高飛行速度，甚至超過音速許多倍。因為同樣質量的金屬氫的體積只有液氫的1/7，所以由它組成的燃料電池可以很容易地應用到汽車上，然後城市就會變得非常幹凈和安靜。
金屬氫中儲存著巨大的能量，比普通TNT炸藥大30 ~ 40倍。所以金屬氫聚變釋放的能量比鈾核裂變釋放的能量大很多倍。隨著金屬氫的誕生，將會產生壹種比氫彈威力大許多倍的新型武器。
目前，世界上有100多個高壓實驗室。中國研制成功了能產生1萬標準大氣壓的壓機。中國研制成功的“分離球多級多活塞組合裝置”可產生200萬標準大氣壓。近年來，中國等多個國家宣布在實驗室研制成功金屬氫，這是人類在研究金屬氫的道路上邁出的可喜壹步。然而，將金屬氫大規模投入工業生產仍有相當大的難度。但它有效地推動和促進了超高壓技術、超低溫技術、超導技術、空間技術、激光、原子能等20多項科學技術的發展達到新的深度。
理論上，在超高壓下確實可以獲得金屬氫。然而，為了獲得金屬氫樣本，科學家需要對其進行進壹步研究。
金屬氫的出現是當代超高壓技術創造的奇跡，也是高壓物理研究領域非常活躍的課題。