從工廠到汽車 “移動(dòng)制氫”困局尚待破解

近日，中國科學(xué)院固體物理研究所李越研究員課題組，運(yùn)用簡單的兩步水熱法，組裝成具有分級(jí)結(jié)構(gòu)的異質(zhì)全解水催化劑。這種納米催化劑具有優(yōu)異的全解水活性，在較低的電壓和電流下持續(xù)工作100小時(shí)，沒有明顯的衰減，證明其穩(wěn)定性非常好，為開發(fā)低成本、高活性的雙功能電解水催化劑提供了有效的設(shè)計(jì)思路。

氫能經(jīng)濟(jì)是20世紀(jì)70年代提出的可持續(xù)能源方案，以用之不竭的太陽光驅(qū)動(dòng)，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(huì)產(chǎn)生任何污染物。

“能否用水制氫來開汽車”備受關(guān)注

化石能源制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫、電解水制氫，是當(dāng)前主流的三大制氫路線。“制氫的方法有很多種，除了上述三大技術(shù)路線，還有活潑金屬與水反應(yīng)、重整甲醇制氫等，關(guān)鍵要看經(jīng)濟(jì)性。”近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院孟廣耀教授告訴科技日報(bào)記者。

我國作為世界第一產(chǎn)氫大國，年產(chǎn)能超過2000萬噸。煤、天然氣、石油等化石燃料生產(chǎn)的氫氣占了將近70%，工業(yè)副產(chǎn)氣體制的氫約占30%，電解水占不到1%。

人們更多關(guān)注的是“能否用水制氫來開汽車”。除去前段時(shí)間網(wǎng)上談?wù)摰匿X粉還原制氫外，近年來，重整甲醇制氫逐漸進(jìn)入人們的視野。

“這相當(dāng)于把制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(jìn)入重整室通過高溫（約250℃）反應(yīng)后，最終產(chǎn)物是二氧化碳和氫氣，成分比例1∶3，但氫氣中會(huì)摻雜著微量的一氧化碳。經(jīng)過氣體提純后，高純度的氫氣進(jìn)入燃料電池系統(tǒng)中，一氧化碳經(jīng)過氧化后與二氧化碳一同排到大氣中。氫氣進(jìn)入燃料電池系統(tǒng)后，后續(xù)過程與普通的燃料電池汽車無異。

相比建設(shè)和運(yùn)營加氫站網(wǎng)絡(luò)，甲醇重整僅需要在加油站的基礎(chǔ)上增加甲醇水加注功能，設(shè)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，需要提純并降溫（從超過200℃降到約80℃），這就要投入額外的設(shè)備。

“要應(yīng)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(qiáng)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(shí)，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(shù)不斷涌現(xiàn)，實(shí)際應(yīng)用尚需時(shí)日

“氫能時(shí)代”的大門半掩半閉，難以走進(jìn)人們的生活。對(duì)此，科學(xué)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(gè)重要原因是氫氣的收集和存儲(chǔ)上的諸多技術(shù)瓶頸。對(duì)此，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)羅毅教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組于2017年7月提出了首個(gè)光解水制氫儲(chǔ)氫一體化的材料體系設(shè)計(jì)，相關(guān)成果刊登在《自然·通訊》雜志上。

水解制氫的另一技術(shù)障礙在于催化劑的昂貴和低效。2019年4月，《自然·催化》雜志以封面文章的形式，報(bào)道了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)吳宇恩教授課題組運(yùn)用創(chuàng)新工藝，研制出一種廉價(jià)、高效的新型釕單原子合金催化劑。相比市場上的商業(yè)釕基催化劑，這種新型催化劑的過電位降低了大約30%，穩(wěn)定性提高了近10倍，為推進(jìn)“電解水制氫”的工業(yè)化應(yīng)用邁出重要一步。

2019年5月，浙江大學(xué)侯陽研究員團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并開發(fā)出一種廉價(jià)新型催化劑，可模擬光合作用，將水裂解制備出氫氣。這種催化劑可將制備成本降低80%以上，將驅(qū)動(dòng)反應(yīng)的能量降低5%，具備工業(yè)級(jí)電解水制氫的潛能。這項(xiàng)成果也發(fā)表于《自然·通訊》雜志。

“清華大學(xué)、上海交大、大連化物所等單位此類世界級(jí)的成果也有不少，使得氫能的高效低成本應(yīng)用路徑更加明晰起來。”孟廣耀表示，這些實(shí)驗(yàn)室的成果還需經(jīng)歷技術(shù)成熟檢驗(yàn)、工程化開發(fā)，更需要規(guī)模應(yīng)用場景、產(chǎn)業(yè)鏈和相關(guān)政策的配套，實(shí)際應(yīng)用尚需時(shí)日。