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从工厂到汽车 移动制氢技术困局待破解

中国科学院固体物理研究所李越研究员课题组,运用简单的两步水热法,组装成具有分级结构的异质全解水催化剂。

这种纳米催化剂具有优异的全解水活性,在较低的电压和电流下持续工作100小时,没有明显的衰减,证明其稳定性非常好,为开发低成本、高活性的双功能电解水催化剂提供了有效的设计思路。

氢能经济是20世纪70年代提出的可持续能源方案,以用之不竭的太阳光驱动,把水分解为氢气和氧气。而氢是一种清洁能源,燃烧生成水,不会产生任何污染物。

“能否用水制氢来开汽车”备受关注

化石能源制氢、工业副产氢、电解水制氢,是当前主流的三大制氢路线。“制氢的方法有很多种,除了上述三大技术路线,还有活泼金属与水反应、重整甲醇制氢等,关键要看经济性。”中国科学技术大学化学与材料学院孟广耀教授告诉记者。

我国作为世界第一产氢大国,年产能超过2000万吨。煤、天然气、石油等化石燃料生产的氢气占了将近70%,工业副产气体制的氢约占30%,电解水占不到1%。

人们更多关注的是“能否用水制氢来开汽车”。除去前段时间网上谈论的铝粉还原制氢外,近年来,重整甲醇制氢逐渐进入人们的视野。

“这相当于把制氢的过程从工厂移到了汽车上。”孟广耀告诉记者。他介绍,甲醇和水的蒸气进入重整室通过高温(约250℃)反应后,最终产物是二氧化碳和氢气,成分比例1∶3,但氢气中会掺杂着微量的一氧化碳。

经过气体提纯后,高纯度的氢气进入燃料电池系统中,一氧化碳经过氧化后与二氧化碳一同排到大气中。氢气进入燃料电池系统后,后续过程与普通的燃料电池汽车无异。

相比建设和运营加氢站网络,甲醇重整仅需要在加油站的基础上增加甲醇水加注功能,设备更换成本低,操作方便,似乎更易让人接受。但是,甲醇重整过程得到的氢气包含一氧化碳等有毒气体,需要提纯并降温(从超过200℃降到约80℃),这就要投入额外的设备。

“要应用到小轿车上,在装置体积受限的情况下,输出的功率是不够的。另外,一氧化碳还是强氧化剂,极易使氢燃料电池中的催化剂‘中毒休克’,从而减少燃料电池堆的使用寿命。”孟广耀说,甲醇重整燃料电池汽车在带来使用便利的同时,却重新带来了碳排放和尾气问题,这似乎违背了使用氢能源的初衷。

新技术不断涌现,实际应用尚需时日

“氢能时代”的大门半掩半闭,难以走进人们的生活。对此,科学家从未停止过努力,近年来我国科研人员的成果尤为抢眼。

除去成本因素外,一个重要原因是氢气的收集和存储上的诸多技术瓶颈。对此,中国科学技术大学罗毅教授领导的研究小组于2017年7月提出了首个光解水制氢储氢一体化的材料体系设计,相关成果刊登在《自然·通讯》杂志上。

水解制氢的另一技术障碍在于催化剂的昂贵和低效。2019年4月,《自然·催化》杂志以封面文章的形式,报道了中国科学技术大学吴宇恩教授课题组运用创新工艺,研制出一种廉价、高效的新型钌单原子合金催化剂。

相比市场上的商业钌基催化剂,这种新型催化剂的过电位降低了大约30%,稳定性提高了近10倍,为推进“电解水制氢”的工业化应用迈出重要一步。

2019年5月,浙江大学侯阳研究员团队设计并开发出一种廉价新型催化剂,可模拟光合作用,将水裂解制备出氢气。这种催化剂可将制备成本降低80%以上,将驱动反应的能量降低5%,具备工业级电解水制氢的潜能。这项成果也发表于《自然·通讯》杂志。

“清华大学、上海交大、大连化物所等单位此类世界级的成果也有不少,使得氢能的高效低成本应用路径更加明晰起来。”孟广耀表示,这些实验室的成果还需经历技术成熟检验、工程化开发,更需要规模应用场景、产业链和相关政策的配套,实际应用尚需时日。

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