儲(chǔ)氫罐 電池網(wǎng)資料圖
含碳資源到無(wú)碳能源轉(zhuǎn)化
當(dāng)前乃至30年—50年內(nèi)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展將仍以碳基為主的能源消費(fèi)為基礎(chǔ)，含碳資源高效清潔轉(zhuǎn)化利用是未來(lái)的發(fā)展方向。含碳資源如何向無(wú)碳能源經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)化，利用氫能是一條途徑。
最近，中國(guó)科學(xué)院山西煤化所煤轉(zhuǎn)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員溫曉東課題組與北京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)、大連理工大學(xué)課題組合作，針對(duì)甲醇和水液相制氫反應(yīng)的特點(diǎn)，從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)出發(fā)，結(jié)合理論計(jì)算開(kāi)發(fā)出新型原子級(jí)分散的鉑-碳化鉬雙功能催化劑，實(shí)現(xiàn)了在低溫下（150℃-190℃）高效的產(chǎn)氫效率。此外，研究團(tuán)隊(duì)還在水煤氣變換產(chǎn)氫過(guò)程中，突破了低溫條件下高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率與高反應(yīng)速率不能兼得的難題，發(fā)展了新一代催化過(guò)程。該研究成果已發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《Nature》，并入選2017年中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展。
研究進(jìn)展被國(guó)際多家科學(xué)媒體報(bào)道并高度評(píng)價(jià)，美國(guó)化學(xué)會(huì)《C&E News》雜志和英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)《Chemistry World》雜志分別以“氫能源：制備氫燃料新過(guò)程”和“新型催化劑點(diǎn)亮氫能汽車未來(lái)”為題進(jìn)行了亮點(diǎn)報(bào)道，認(rèn)為“隨著此高活性催化體系的成功，把氫氣存儲(chǔ)于甲醇并在需要時(shí)重整釋放的概念可能得到實(shí)際應(yīng)用，這是氫能儲(chǔ)存和輸運(yùn)體系的一個(gè)重大突破?！泵绹?guó)特拉華大學(xué)能源中心主任Dion Vlachos教授評(píng)論這個(gè)新過(guò)程“在反應(yīng)性能上處在技術(shù)前沿”；德國(guó)萊布尼茲催化所所長(zhǎng)Matthias Beller教授認(rèn)為這個(gè)催化體系是一個(gè)重大突破，此類催化劑還有望在其他水相重整制氫過(guò)程，如生活廢水、乙醇等原料的催化產(chǎn)氫中發(fā)揮優(yōu)勢(shì)作用。
雙功能催化提高產(chǎn)氫效率
氫能是公認(rèn)的高熱值清潔能源，高位發(fā)熱值達(dá)1.42×102 MJ/kg，約是汽油發(fā)熱值的3倍，也被稱為“能源貨幣”。氫燃料電池是當(dāng)前最具潛力的新一代氫能利用系統(tǒng)，航空航天尖端領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，被認(rèn)為是未來(lái)汽車及其他便攜設(shè)備重要的候選動(dòng)力系統(tǒng)。然而，氫氣存儲(chǔ)和輸運(yùn)技術(shù)一直沒(méi)有關(guān)鍵突破，這也成了氫能源大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸。
溫曉東向記者介紹，從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，直接儲(chǔ)氫是最簡(jiǎn)便的解決方案。目前，日本豐田公司商業(yè)化的氫燃料電池汽車就是使用容量約為120升、壓力高達(dá)700帕的兩個(gè)鋼瓶攜帶氫氣。由于氫氣易燃易爆，化學(xué)性質(zhì)活潑，容易泄漏，該方法的安全性不容樂(lè)觀。另外，高壓加氫站建設(shè)所需高成本以及安全隱患也限制著直接氫燃料電池汽車的發(fā)展。因此，另一種策略——將氫氣以化學(xué)能形式儲(chǔ)存于穩(wěn)定的液體燃料中，通過(guò)催化反應(yīng)原位釋放氫氣供應(yīng)燃料電池使用，引起眾多研究者的興趣，他們認(rèn)為這是一種行之有效的間接儲(chǔ)氫途徑。甲醇具有單位體積儲(chǔ)氫量高、活化溫度低、副產(chǎn)物少以及價(jià)廉易得等諸多優(yōu)點(diǎn)，是理想的液體儲(chǔ)氫平臺(tái)分子。
目前，甲醇水汽重整過(guò)程研究已經(jīng)非常廣泛而深入，采用液相重整方法，能夠移除液體汽化單元，使反應(yīng)器結(jié)構(gòu)更為緊湊而利于車載。溫曉東說(shuō)，高效穩(wěn)定的甲醇水液相重整催化劑并不多見(jiàn)，也是該領(lǐng)域發(fā)展需要優(yōu)先解決的重要問(wèn)題。
這是一個(gè)艱難的過(guò)程，萬(wàn)里挑一猶如大海撈針?？蒲腥藛T通過(guò)特性比對(duì)法、排除法苦苦尋覓，又在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行了上百種催化劑試驗(yàn)，最后篩選出10余種催化劑待選物。他們發(fā)現(xiàn)，金屬鉑與碳化鉬基底之間存在著非常強(qiáng)的相互作用，使得鉑以原子級(jí)分散在碳化鉬納米顆粒表面，構(gòu)筑出高密度的原子尺度催化活性中心。單分散鉑主要負(fù)責(zé)甲醇的解離過(guò)程，而碳化鉬主要負(fù)責(zé)水的解離過(guò)程，重要的是這兩個(gè)催化過(guò)程的反應(yīng)速率相近，進(jìn)而形成高效的雙功能催化體系。
含碳資源轉(zhuǎn)化有了新方向
原子級(jí)高度分散的鉑中心和碳化鉬基底之間的協(xié)同作用，能夠在兩者界面實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)中間體的高效活化和協(xié)同轉(zhuǎn)化，從而使得整個(gè)催化劑在甲醇和水液相反應(yīng)中表現(xiàn)出超高的產(chǎn)氫活性，在150攝氏度就能以2276molH2/（molPt×h）的反應(yīng)速率釋放氫氣，進(jìn)一步提高溫度至190攝氏度，放氫速率可達(dá)18046 molH2/（molPt×h），較傳統(tǒng)鉑基催化劑活性提升了近兩個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)，原子級(jí)分散的特點(diǎn)能最大限度提高貴金屬鉑的利用率，以產(chǎn)氫活性估計(jì)，僅需含有6克鉑的該催化劑即可使產(chǎn)氫速率達(dá)到1kgH2/h，基本滿足商用車載燃料電池組的需求。以當(dāng)前甲醇市場(chǎng)價(jià)格（2400元/噸）計(jì)算，采用此技術(shù)路徑儲(chǔ)放氫氣，氫燃料電池汽車每百公里燃料價(jià)格約13元，而加60升-80升甲醇可供家用小轎車行駛600公里-1000公里。
專注于研究氫燃料電池車的EnerMaster能碩創(chuàng)始人游李興認(rèn)為，氫的可控性和可塑性更強(qiáng)，同時(shí)還具有加氫速度快、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，氫轉(zhuǎn)電能，理論上的轉(zhuǎn)化率可以做到接近100%，電動(dòng)車把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)化效率在90%以上。由此，燃料電池動(dòng)力能量的密度相當(dāng)于傳統(tǒng)燃油動(dòng)力的10倍。
為氫燃料諸多優(yōu)點(diǎn)吸引，無(wú)論是國(guó)內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)，還是國(guó)外汽車行業(yè)，都開(kāi)始加速在氫燃料電池領(lǐng)域布局。5月7日，科學(xué)技術(shù)部發(fā)布了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“新能源汽車”重點(diǎn)專項(xiàng)擬立項(xiàng)的2018年度項(xiàng)目公示清單，其中，國(guó)家層面撥款2.6億元投入燃料電池汽車研發(fā)應(yīng)用。目前，氫燃料電池發(fā)展還處于初級(jí)階段，但氫燃料發(fā)展前景廣闊，在其大規(guī)模落地之前仍需要很長(zhǎng)的時(shí)間去解決技術(shù)痛點(diǎn)。溫曉東說(shuō)，我們的研究為含碳資源高效清潔轉(zhuǎn)化利用提供了新方向，實(shí)現(xiàn)了從含碳資源到無(wú)碳能源的高效溫和轉(zhuǎn)化，為氫能制備、存儲(chǔ)及安全利用提供了新的思路，希望能在下一代高效儲(chǔ)放氫新體系得到應(yīng)用。
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