助力碳中和可持续氢能技术深度解读｜络绎知图对话青年科学家系列

2021 年 4 月 22 日，《巴黎协定》签署 5 周年之际，世界领导人气候峰会云端召开，中国提出构建“人与自然生命共同体”。7 个月前，2020 年 9 月，中国宣布力争 2030 年前实现碳达峰（二氧化碳排放达到历史峰值）、2060 年前实现碳中和（二氧化碳净零排放），这是迄今为止世界各国中作出的最大减少全球变暖预期的气候承诺。

作为全世界最大的发展中国家与碳排放大国，中国在全球气候治理方面肩负起史无前例的责任，也展现出大国担当的勇气。中国需要用仅 30 年的时间从碳达峰到实现碳中和，碳减排的斜率远远陡峭于欧美国家，未来 40 年里中国预期一场变革性的能源结构与经济增长绿色转型。

背负起碳中和历史重任的，是今天和明天的青年一代，他们的思想和行动关系着未来。日前，络绎学术 Online 邀请了多位从事碳中和相关领域研究的青年科学家进行对话，他们从各自研究的角度出发分享了对于碳中和的深入见解（排名不分先后，文末有视频链接）。

以下内容是本系列第二篇：助力碳中和的可持续氢能技术深度解读。

氢能被认为是碳中和体系中重要的组成部分，不过当下氢能的发展和利用并不高效和经济，如何从制氢、储氢、运氢、用氢等产业链的多个环节提升效率，加速氢能经济的到来，学术界和工业界做了大量探索与投入。随着碳中和成为应对气候变化全球共识，氢能已经被多个国家和地区纳入发展战略规划。我们关注推动氢能可持续发展的核心技术，尤其是极具工业化潜力的零碳排放制氢技术，并邀请复旦大学化学系青年研究员龚鸣和南开大学电子信息与光学工程学院教授、副所长罗景山两位老师分享了他们的思考和工作成果。

龚鸣：面向碳中和的可持续氢能，从制氢、储氢、制氢储氢耦合全方位助力氢能降本增效，加速氢能经济时代到来

氢能链条里有四个重要的环节，即“制氢、储氢、运氢、用氢”，每个环节的能量效率都是推动行业发展的重要因素。氢能的能量效率是制氢效率、储氢效率、用氢效率的叠加，确保任何一个环节都不能有明显的短板，是科研和工业界需要攻克的关键问题。

我们先来看如何在制氢环节降本增效。制氢的方式多种多样，目前主要包括化石燃料制氢、工业生产过程中产生氢副产品、生物质原材料制氢、利用可再生能源电解水制氢等路径。不同国家根据自身资源不同会选取适合各自国情的制氢路径，例如中国采用煤制氢比例较高，日本自身化石能源不丰富因此主要采用电解水制氢。不同制氢路径的成本也不同，化石能源制氢比利用可再生能源电解水制氢成本低得多。

在以上所有路径中，只有利用可再生能源电解水制氢的全过程实现了碳的零排放，通过这种方式获得的氢纯度也是最高的，但缺点是电耗大、成本高。其他方式中，甲烷制氢是相对理想的制氢方式，因为产氢量大、成本较低，不过如果未来需要对甲烷制氢过程中的碳排放采取碳捕集的方式加以中和，成本必定会升高。从这个角度看，未来电解水制氢会变得更加重要。

目前电解水制氢技术包括碱槽电解、质子交换膜（PEM）电解、阴离子交换膜（AEM）电解、高温固体氧化物（SOEC）电解，前两者相对成熟，后两者相对待开发。碱槽电解和 PEM 电解这两种方式的优劣势比较互补，其中，碱槽电解的优势是已经工业化、技术成熟、大规模制氢成本低，劣势是电耗大、运维成本高、产速低。为了降低电解水制氢成本和提高产氢效率，我们必须依赖和开发高活性电催化剂，并保持其在大电流和高电位的条件下持续稳定的产氢。

满足工业场景电解水制氢高性能和低成本要求的电催化剂有以下设计需求：高/增加活性位点、高效电子传输、高效传质、低成本、高稳定性等。

使用这种催化剂材料制氢可以比工业上使用的催化剂降低大约 20% 的能耗。目前电解水的主要成本在于电的成本，因而能耗下降意味着成本的下降。

除了与制氢直接相关环节的降本增效，龚鸣老师还提到了制氢的可持续问题，即在关注氢经济的同时做好氧管理，产氢的同时生产高附加值的化学品。这种非传统水制氢技术是将氧转移到比氧气更有价值的地方去，可以实现同时制备氢气和高附加值产物，也就相当于进一步降低制氢的总成本。

然后我们再看储氢环节如何进一步助力氢能降本增效。储氢是维护氢能安全的重要关卡，储氢可以粗略分为物理储氢和化学储氢两种类型。物理储氢是目前的主流，已经实现了工业化应用。它通过改变储氢条件提高氢气密度，或通过物理吸附作用将氢气储存在金属合金等储氢材料中，主要途径包括高压气体储氢、低温液化储氢、利用吸附材料储氢等。其中，高压气体储氢是目前发展最成熟、应用最广泛的物理储氢技术，不过劣势是压缩能耗高、存在安全性隐患或泄漏风险。

为了进一步解决物理储氢密度低和/或压缩能耗高等痛点，学术界和工业界已开始发力探索化学储氢的实现路径。化学储氢是利用储氢介质在一定条件下与氢气反应生成稳定化合物，再通过改变条件实现放氢。理想的储氢介质应该满足储氢密度高、储氢能效高且氢气易分离这三个条件。举个例子，日本千代田公司专注于液态有机氢载体的研发，他们开发的 SPERA 氢技术将甲苯加氢生成甲基环己烷，甲基环己烷脱氢生成氢气和甲苯。利用甲苯和甲基环己烷可以用常规化学品和汽油相当的温度压力条件进行储存和运输的优势，大大降低氢气的储存和运输难度。目前千代田公司也已经初步探索了这一技术路径商业化运行的可行性。

但现阶段整体上来说，化学储氢面临着储氢密度高的材料储氢能效低、储氢能效高的储氢密度低的冲突，其中的矛盾尚未得到调和，未来仍有大量工作要做。

在此基础上，龚鸣老师又提出了“化学储氢与制氢的深度耦合” ，不同于传统先制氢后储氢的思路，电化学储氢制氢耦合将通过直接制备含氢媒介来减少氢能链条中总环节数量，从而提升总体的效率，为高效安全地实现氢能经济提供新的途径。举个例子，在制氢的时候电解甲醇生成氢气和甲酸，在储氢的时候给甲酸加氢生成甲醇，实现制氢与储氢的循环，不过这类技术还有待进一步开发提升整体效率。

罗景山：基于光电极、电催化材料的突破创新，提升光电催化制氢和二氧化碳还原的效率，双重助力氢能和碳中和

自然界中植物通过光合作用将二氧化碳和水转变成葡萄糖，在这个过程中光的能量被植物转化成化学能存储起来，只不过这种能量转换效率只有 1% 左右。我们借鉴自然光合作用并人工模拟这种过程，利用光能驱动水分解制氢和二氧化碳还原，同样可以将光能转化成化学能（即燃料和化学品），还能大大提升能量转换效率。

先来看光解水是什么。1972 年，日本两位学者藤岛昭和本多健一发现了二氧化钛单晶体电极表面的水分子在紫外光照射下分解成氢气和氧气现象，又称为“本多-藤岛效应”（Honda-Fujishima Effect）。这里二氧化钛作为一种光催化剂/电极材料（photocatalyst），将光能直接转化为化学能，这种光解水的路径是光电催化分解水（Photoelectrochemical/PEC water splitting）。自此之后近 50 年时间里，学术界做了大量的工作致力于寻找和设计比二氧化钛更理想的、能适用于可见光波段的光电极材料，提高太阳能制氢效率（solar-to-hydrogen efficiency, STH）。

两种过渡金属氧化物半导体材料——氧化亚铜和钒酸铋是潜在的能够用于规模化生产的光电极材料（分别是产氢的光阴极、产氧的光阳极），它们的优势是易于制备且具备较高的理论光电流密度，劣势是基于金属氧化物制备的光电板还存在着稳定性差和效率低的问题。

那如何能更近一步提升太阳能产氢效率呢？我们接下来看看与光解水相对应的第二种路径，光能先转化为电能然后再转化为化学能。这种路径被称为光伏电催化分解水（Photovoltaic-driven electrolysis），它将高效的太阳能电池与电催化剂结合起来，主要受益于光伏和电催化剂材料两种技术的发展和进步。早在 2013-2014 年，就有学者利用工业规模化生产的铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池和硅太阳能电池进行了全分解水的研究，只不过因为这两种电池的电压不够高，需要将 3-4 块电池串联起来，他们实现了接近 10% 的太阳能产氢效率。

罗景山老师进一步提到，这类催化剂性能与商业化的 Pt/C 催化剂相当，但成本远低于后者，因此有望未来在燃料电池领域应用并实现对 Pt/C 的替代。面向实际应用的光解水器件开发，他们提出的思路是先构筑大面积（10 x 10 平方厘米）的光解水器件再加以叠加放大，目前实验室正在积极研发。

此外，罗景山老师还提到了利用光伏电催化二氧化碳还原合成一氧化碳（以及乙烯等其他重要的工业原材料）、电催化氮还原合成氨等方面的研究进展，它们与光解水制氢一起构成了以太阳能等清洁可再生能源利用为核心的 2060 碳中和愿景体系的重要组成部分。

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