氫能技術論爭
科技日報記者 吳長鋒
近日，中國科學院固體物理研究所李越研究員課題組，運用簡單的兩步水熱法，組裝成具有分級結構的異質全解水催化劑。這種納米催化劑具有優異的全解水活性，在較低的電壓和電流下持續工作100小時，沒有明顯的衰減，證明其穩定性非常好，為開發低成本、高活性的雙功能電解水催化劑提供了有效的設計思路。
氫能經濟是20世紀70年代提出的可持續能源方案，以用之不竭的太陽光驅動，把水分解為氫氣和氧氣。而氫是一種清潔能源，燃燒生成水，不會產生任何汙染物。
“能否用水製氫來開汽車”
備受關注
化石能源製氫、工業副產氫、電解水製氫，是當前主流的三大製氫路線。“製氫的方法有很多種，除了上述三大技術路線，還有活潑金屬與水反應、重整甲醇製氫等，關鍵要看經濟性。”近日，中國科學技術大學化學與材料學院孟廣耀教授告訴科技日報記者。
我國作為世界第一產氫大國，年產能超過2000萬噸。煤、天然氣、石油等化石燃料生產的氫氣佔了將近70%，工業副產氣體制的氫約佔30%，電解水佔不到1%。
人們更多關注的是“能否用水製氫來開汽車”。除去前段時間網上談論的鋁粉還原製氫外，近年來，重整甲醇製氫逐漸進入人們的視野。
“這相當於把製氫的過程從工廠移到了汽車上。”孟廣耀告訴記者。他介紹，甲醇和水的蒸氣進入重整室通過高溫（約250℃）反應後，最終產物是二氧化碳和氫氣，成分比例1∶3，但氫氣中會摻雜著微量的一氧化碳。經過氣體提純後，高純度的氫氣進入燃料電池系統中，一氧化碳經過氧化後與二氧化碳一同排到大氣中。氫氣進入燃料電池系統後，後續過程與普通的燃料電池汽車無異。
相比建設和運營加氫站網絡，甲醇重整僅需要在加油站的基礎上增加甲醇水加注功能，設備更換成本低，操作方便，似乎更易讓人接受。但是，甲醇重整過程得到的氫氣包含一氧化碳等有毒氣體，需要提純並降溫（從超過200℃降到約80℃），這就要投入額外的設備。
“要應用到小轎車上，在裝置體積受限的情況下，輸出的功率是不夠的。另外，一氧化碳還是強氧化劑，極易使氫燃料電池中的催化劑‘中毒休克’，從而減少燃料電池堆的使用壽命。”孟廣耀說，甲醇重整燃料電池汽車在帶來使用便利的同時，卻重新帶來了碳排放和尾氣問題，這似乎違背了使用氫能源的初衷。
新技術不斷湧現
實際應用尚需時日
“氫能時代”的大門半掩半閉，難以走進人們的生活。對此，科學家從未停止過努力，近年來我國科研人員的成果尤為搶眼。
除去成本因素外，一個重要原因是氫氣的收集和存儲上的諸多技術瓶頸。對此，中國科學技術大學羅毅教授領導的研究小組於2017年7月提出了首個光解水製氫儲氫一體化的材料體系設計，相關成果刊登在《自然·通訊》雜誌上。
水解製氫的另一技術障礙在於催化劑的昂貴和低效。2019年4月，《自然·催化》雜誌以封面文章的形式，報導了中國科學技術大學吳宇恩教授課題組運用創新工藝，研製出一種廉價、高效的新型釕單原子合金催化劑。相比市場上的商業釕基催化劑，這種新型催化劑的過電位降低了大約30%，穩定性提高了近10倍，為推進“電解水製氫”的工業化應用邁出重要一步。
2019年5月，浙江大學侯陽研究員團隊設計並開發出一種廉價新型催化劑，可模擬光合作用，將水裂解製備出氫氣。這種催化劑可將製備成本降低80%以上，將驅動反應的能量降低5%，具備工業級電解水製氫的潛能。這項成果也發表於《自然·通訊》雜誌。
“清華大學、上海交大、大連化物所等部門此類世界級的成果也有不少，使得氫能的高效低成本應用路徑更加明晰起來。”孟廣耀表示，這些實驗室的成果還需經歷技術成熟檢驗、工程化開發，更需要規模應用場景、產業鏈和相關政策的配套，實際應用尚需時日。
來源：科技日報 文中圖片來自網絡
編輯：陳小柒
審核：管晶晶
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