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移動(dòng)制氫困局尚待破解

文章來(lái)源:科技日報 | 發(fā)布日期:2019-06-12 | 作者: | 點(diǎn)擊次數:

近日,中國科學(xué)院固體物理研究所運用簡(jiǎn)單的兩步水熱法,組裝成具有分級結構的異質(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工作100小時(shí),沒(méi)有明顯的衰減,證明其穩定性非常好,為開(kāi)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計思路。

氫能經(jīng)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(yáng)光驅動(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。

制氫的方法有很多種,化石能源制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫、電解水制氫,是當前主流的三大制氫路線(xiàn)。除了上述三大技術(shù)路線(xiàn),還有活潑金屬與水反應、重整甲醇制氫等,關(guān)鍵要看經(jīng)濟性。
我國作為世界第一產(chǎn)氫大國,年產(chǎn)能超過(guò)2000萬(wàn)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(lái)開(kāi)汽車(chē)”。除去前段時(shí)間網(wǎng)上談?wù)摰匿X粉還原制氫外,近年來(lái),重整甲醇制氫逐漸進(jìn)入人們的視野。

甲醇和水的蒸氣進(jìn)入重整室通過(guò)高溫(約250℃)反應后,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(zhù)微量的一氧化碳。經(jīng)過(guò)氣體提純后,高純度的氫氣進(jìn)入燃料電池系統中,一氧化碳經(jīng)過(guò)氧化后與二氧化碳一同排到大氣中。氫氣進(jìn)入燃料電池系統后,后續過(guò)程與普通的燃料電池汽車(chē)無(wú)異。相比建設和運營(yíng)加氫站網(wǎng)絡(luò ),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(guò)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(guò)200℃降到約80℃),這就要投入額外的設備。此外,甲醇重整燃料電池汽車(chē)在帶來(lái)使用便利的同時(shí),卻重新帶來(lái)了碳排放和尾氣問(wèn)題,這似乎違背了使用氫能源的初衷。

盡管新技術(shù)不斷涌現,但氫的實(shí)際應用尚需時(shí)日。除去成本因素外,一個(gè)重要原因是氫氣的收集和存儲上的諸多技術(shù)瓶頸。近日,首個(gè)光解水制氫儲氫一體化的材料體系設計成果發(fā)布。

水解制氫的另一技術(shù)障礙在于催化劑的昂貴和低效。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)運用創(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(chǎng)上的商業(yè)釕基催化劑,這種新型催化劑的過(guò)電位降低了大約30%,穩定性提高了近10倍,為推進(jìn)“電解水制氫”的工業(yè)化應用邁出重要一步。

2019年5月,浙江大學(xué)設計并開(kāi)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,將驅動(dòng)反應的能量降低5%,具備工業(yè)級電解水制氫的潛能。

清華大學(xué)、上海交大、大連化物所等單位此類(lèi)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(lái)。這些實(shí)驗室的成果還需經(jīng)歷技術(shù)成熟檢驗、工程化開(kāi)發(fā),更需要規模應用場(chǎng)景、產(chǎn)業(yè)鏈和相關(guān)政策的配套,實(shí)際應用尚需時(shí)日。


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