氫氣作能源，我們還有多遠的路要走？

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一種有效的設計思路。

氫能經濟是20世紀70年代提出的一個最“完美”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，達到環保可再生可持續發展的目標。

面對日益嚴重的環境和能源危機，我們離這一美好的目標還有多遠的路要走呢？

多種路線並存

經濟性是重要考量

汽車尾氣排放更多受到人們關注。發展氫燃料電池汽車，首先要解決氫的來源問題。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，關鍵要看有沒有經濟性。”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。

孟廣耀認為，我國各地區條件不一，製氫也要因地製宜。“西北不少地方風能、光能資源豐富，‘棄電’若用在電解水製氫中，不僅降低製氫成本，還能提高清潔能源使用效率。”

在今年上半年的上海車展上，包括豐田、現代、上汽大通中外車企帶來了多款氫燃料電池汽車，成為一大亮點。記者了解到，當前加氫站的氫氣價格約70元/千克，按百公里使用成本算，明顯高於燃油車。“現在還在示範運營階段，簡單拿氫氣價格和汽柴油價格比並不合適。”孟廣耀表示。

雖然氫燃料電池汽車擁有節能環保、加氫時間短（只要5分鐘，與加油相當）、續航裡程長等優點，但國內的氫燃料電池汽車產業目前還面臨一些挑戰，包括技術成熟度有待提升、製造成本高等問題。

作為國內固體氧化物燃料電池的開拓者，孟廣耀教授表示：“燃料電池系統所使用的關鍵零組件如膜電極、催化劑、空壓機等，應該說國內的科研院所都有涉及，與日韓等相比，技術成熟度還不高，尚需時日才能完善相關產業鏈，實現氫燃料電池汽車的批量化生產。”

“移動製氫”的困局

事實上，我國作為世界第一產氫大國，產能超過2000萬噸/年。煤、天然氣、石油等化石燃料生產的氫氣佔了將近70%，工業副產氣體制得氫氣約佔30%，電解水佔不到1%。

人們更高的關注度在於“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，重整甲醇水製氫逐漸進入人們的視野。

“這相當於是把製氫的過程從工廠移到了汽車上，好處是擺脫加氫站約束，直接製造氫氣提供給燃料電池使用，壞處是重新帶來碳排放和尾氣問題。”孟廣耀告訴記者，甲醇與水蒸氣在一定的溫度和壓力條件下，通過催化劑催化發生甲醇裂解反應和一氧化碳的變換反應，生成氫和二氧化碳。

孟廣耀介紹，甲醇和水的蒸氣進入重整室通過高溫（約250°C）反應後，最終產物是二氧化碳和氫氣，成分比例1:3，但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。

由於加氫站網絡有建設及運營費用高昂，建設時間長，法規程序複雜的缺點，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，相關法規完善，可謂優勢明顯，似乎可以更讓人容易接受。

但是，甲醇水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°C降到約80°C），這需要額外的設備，也是額外的成本。

“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，極易使得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。”孟廣耀表示，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

實際應用尚待時日

“氫能時代”的大門半掩半閉，難以走進人生活。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。2017年7月，中國科學技術大學羅毅教授領導的研究小組，提出了首個光解水製氫儲氫一體化的材料體系設計，該方案具有低成本、通用性、安全儲氫的優點，以較低的成本，巧妙地抑製了光解水製氫的逆反應發生，實現了氫氣的有效提純，是首個安全製氫與儲氫一體化的設計。將有望為實現太陽能裂解水轉換為氫能，以及氫能的大規模應用解決最困難的氫氣分離和安全存儲運輸兩個瓶頸問題。他們的成果被著名的《自然.通訊》刊登。

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》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，為向推進“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。

“我國的清華大學、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。”孟廣耀教授表示，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：劉義陽

審核：管晶晶