PDF《让电解水制氢变得更容易》

能源化工

2019 年1月28 日 星期一 主编 / 张思玮 编辑 / 王剑 校对 / 王心怡 Tel: (010)

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7 电动汽车是新一轮工 业革命的标志性、 引领性产 品. 它是智能交通、 智慧城 市的基本单元;

是把绿色 能源、 智能电网、 新一代 移动通信、 共享出行连接 在一起的节点, 从而推动 能源革命、信息革命、 交 通革命和消费革命, 较大 程度上破解能源、环境、 城市交通等痛点和难点问 题, 重塑未来愿景. 目前, 电动汽车已经进 入了产业化阶段. 要评估这 次汽车革命影响的深刻程 度, 就要跳出电动汽车的局 限, 放眼未来的能源、 交通 和城市;

要充分获得汽车革 命造福社会的效能, 就要将 未来的汽车、 能源、 交通、 城 市看作一个相互交融的整 体来部署、规划和推进, 才 能取得更好的效果. 第一, 汽车革命与能源 革命协同, 将大幅度改善能 源结构. 我国石油消费连年增 长,而自产原油连年下降. 中石油研究院的一份报告 发出预警,

2018 年我国原 油的对外依存度将突破 70%,能源安全问题已经不 容忽视 .现在我国每千人 保有汽车大约

160 辆, 未来 较长一段时间仍处于增长 期,如果仅仅依赖石油, 能 源安全将成为重大问题. 实 现个人出行机动化, 现实的 选择就是电动化. 与电动化并行的是可 再生能源的迅速发展. 电动 汽车规模化发展需要强大 的电力保障;

而较大规模可 再生能源则有赖于消纳和 存储间歇性电能的储电能力. 两者通过能源互 联网的衔接将产生巨大的协同互补效应. 第二,电动化需要放在绿色化的基础 之上. 电动汽车自身发展到一定程度, 必须从制 度上和技术上使电动化与新能源对接, 并把电 动化的全产业链放在绿色化的基础之上. 可以 预期到

2025 年前后,电动汽车的性价比将超 过燃油车, 太阳能和风能等发电成本低于化石 能源, 市场将以强大的力量驱动电动汽车发展 和能源结构转型, 以日益加快的步伐走向零排 放公路交通. 第三, 共享出行有望重构城市交通. 传统的以私家车为中心的城市交通体系 已经成为大城市病的顽症. 电动车 + 互联网 + 自动驾驶 搭配为再造城市交通体系开拓了 新的视野, 展现了新的前景.多项研究报告表 明, 电动化、 网联化、 智能化的电动汽车将使共 享出行的人均公里成本下降 45%~82%.自动 驾驶共享汽车可以自行移动到出行需求点, 实 现无缝接驳. 人、 车、 道路设施实时共享交通信 息, 提高出行效率. 第四, 跨界技术和造车新势力的加入增强 了创新活力. 良好的机动功能只是电动汽车的 1.0 版本, 充分释放未来汽车造福社会的潜能, 还有 赖于网联化、 智能化和出行服务的创新.但要 把电动汽车升级为 强大的移动智能平台 , 成 为电气化、 电子化、 网联化产品, 对于传统车企 是巨大的挑战. 因为并不是把各种硬件和软件 堆砌到车体上就可以做到的. 我国年轻一代对信息化有很强烈的偏好 和很高的要求,而我国电子信息和互联网企业 有较强的意愿通过创新来满足这些需求,两者 结合有可能形成我国车联网和智能化的特色和 强项.互联网造车新势力正是看到了这一发展 趋势和新的机会而勇敢地闯了进来.这成了我 国有别于其他汽车生产大国的一大特点,也是 一大优势.他们的进入给汽车变革注入了新的 基因, 带来了新的理念、 新的技术、 新的商业模 式.在跨界技术和造车新势力参与下重新定义 未来的汽车,可以确保电动化的汽车把稳网联 化、 智能化的方向, 很好地实现与未来的对接. 第五, 协同发展需要加强顶层设计. 到2030 年,我国电动汽车产销将超过

1500 万辆,不同级别的自动驾驶基本普及, 保有量将达到

8000 万辆.这个预测要变成 现实, 涉及能源结构调整、 智能电网建设、 交 通基础设施升级、新一代移动通信支持、 产 业链的调整和改造、 标准法规调整以及就业 岗位转移等,这是一场波澜壮阔的工业革 命, 每一方面都是周期较长、 牵动全社会的 巨大系统工程. 这就需要政府未雨绸缪,做好顶层设计, 从一开始就把汽车、 能源、 通信、 交通、 城市进 行综合考虑, 实现技术协同、 规划协同、 政策协 同、 法规协同, 有序推进.其中打破壁垒、 放开 市场, 加强跨学科、 跨行业的协同创新至关重 要.制定一个经科学论证的顶层设计和时间 表, 给市场和社会一个应有的预期, 是推进汽 车革命走向成功的牛鼻子. 我国几乎比任何国家对这轮汽车革命都 有更加热切的期待.这次汽车颠覆性变革的 底层是可再生能源, 是电动化、 网联化、 智能 化、 共享化的高度融合.而这几个方面恰恰 都是我国近年来发展状况较好的新兴领域, 有一定的比较优势.如果把握得好我国有可 能成为赢家. (作者系中国电动汽车百人会理事长, 本 报记者李惠钰根据其在

2019 中国电动汽车 百人会论坛全球零排放与全面电动化大会上 的发言整理) 能言快语 电动汽车引领工业革命的新一轮变革陈清泰2018 年12 月,国家发展改革委 与国家能源局联合印发《清洁能源消 纳行动计划 (2018―2020 年) 》 (以下 简称 《计划》 ) , 《计划》 指出, 探索可再 生能源富余电力转化为热能、 冷能、 氢能,实现可再生能源多途径就近高效 利用. 而电解水制氢正是将富余电力转 化为氢能的好途径. 近期, 中国科学院 宁波材料技术与工程研究所所属新能 源所研究员陈亮团队提供了一种高效 的酸性析氧电催化剂,并提出了相应 的机理解释,一定程度上推动了酸性 电解水制氢的研究.相关研究发表在 《自然―通讯》 上. 电解水制氢实现富余电力转化 氢能和电能都是重要的二次能 源,也是未来主要的绿色清洁能源. 氢气无污染、 零排放, 在未来人类生活 生产中扮演极其重要的角色. 氢能具有远距离输送、大规模存 储和氢―电互换的特性,目前主要的 生产方式包括化石燃料制氢、电解水 制氢、 工业副产氢等. 中科院宁波材料技术与工程研究 所研究员、 论文通讯作者陈亮在采访中 向 《中国科学报》 解释说: 目前, 工业上 主要采用化石燃料重整制氢, 化石燃料 可以是天然气、 石油和煤.采用这种方 法制备氢气所含的能量因为热损失会 低于原始的化石燃料所含的能量.此外, 采用这种方法制备氢气并不会降低 二氧化碳的排放, 因为重整制氢的过程 所排放的二氧化碳与直接燃烧化石燃 料所排放的二氧化碳是一样的. 目前,实验室阶段正在研究的替 代化石燃料重整制氢的方法有生物法 制氢、 电解水制氢、 光电化学制氢和光 电催化制氢,其中电解水制氢技术在 工业上已经有一定规模的应用. 电解水制氢的主要目的是将富余 电力转化为氢能.中国有世界上最大 的风力发电、太阳能发电,然而太阳 能、风能存在间歇性问题,受昼夜变 化、 气候因素限制. 电的存储一直是个难题, 所发出 用不完的电要么输入到国家电网、 要 么进行能换转化, 否则只能浪费掉. 因 为太阳能、 风能发出的电不稳定, 直接 输入到电网中会产生一系列问题.因 此需要大力发展富余电力转化技术. 陈亮解释说. 新型高效酸性析氧电催化剂 根据电解质的不同,电解水制氢 可分为碱性电催化制氢和酸性电催化 制氢. 陈亮解释说, 电解水包括两个半 反应―― ―阴极上的析氢反应和阳极上 的析氧反应.根据电解质的不同分为 碱性电解水和酸性电解水.对于碱性 电解水, 难点是阴极上的析氢;

而对于 酸性电解水, 难点是阳极上的析氧. 据介绍,目前业内对碱性电解水 研究已经较为透彻,工业上也有一定 的应用. 但与碱性电解水性比, 酸性电 解水更受青睐, 其理由是 酸性电解水 的反应速率快了 2~3 个数量级, 副产 物少, 并且可以使用质子交换膜 (pro- ton exchange membrane, PEM) ,进而 使得电解槽非常轻便 . 而限制酸性电解水发展的瓶颈正 是阳极上的析氧反应,目前尚缺乏高 效的酸性析氧电催化剂.而此次陈亮 团队提供了一种高效的新型酸性析氧 电催化剂―― ―CrO2-RuO2 固溶体材 料, 并提出了相应的机理解释. 团队中的林贻超博士基于 Cr 基 金属有机框架材料,通过吸附 RuCl3 前驱体、退火等手段成功制备出新型 CrO2-RuO2 固溶体材料. 通过 PXRD 晶修、 Vegard'

s law 验证等技术确定了 CrO2-RuO2 固溶体的结构, 并通过原 子分辨球差电镜直接观察到 Cr、 Ru 原子均匀分布于同一个纳米单晶中. 陈亮指出, 该制备过程非常简单, 其中最关键的是选择一种合适的、 可 以大量吸附 RuCl3 的Cr 基金属有机 框架材料. 金属有机框架材料至今已 经报道了数万种, Cr 基的也有上千 种, 如果盲目筛选工作量非常大. 得益 于将近十年关于金属有机框架材料研 究积累, 实现了快速切入. 结果显示, CrO2-RuO2 固溶体材 料用于酸性电催化制氢阳极上的析氧 电催化剂, 降低反应的过电势, 即降低 反应的能耗.该材料在 10mA ・ cm-2 电 流密度下,其过电位仅为 178mV, 并 且经过

10000 次循环后,过电位仅升 高了 11mV, 远优于商业 RuO2.通过 同步辐射近边吸收测试发现 Ru 原子 在晶体结构中由于

4 价Cr 的强吸电 子作用,价态略高于 +4 价,并且 Ru-O 的键长变短. 该团队的田子奇博士通过密度泛 函模拟计算发现, 正是由于晶格中 +4 价Cr 的吸电子作用导致 Ru 的催化 活性变高, 降低了反应能垒.此外, 值 得注意的是,该固溶体材料中贵金属 Ru 的含量仅占 40%, 可显著降低催化 剂的成本. 据介绍, RuO2 和IrO2 以及它们的 衍生物是目前公认的具有酸性析氧电 催化活性的催化剂.其中 IrO2 基材料 的酸性析氧活性非常稳定, 但是 Ir 的价 格非常昂贵, 目前的 Ir 金属的市场价约

390 元/克.相比之下, Ru 金属是最便 宜的铂族元素, 价格约

60 元/克. 虽然 RuO2 基材料的酸性析氧电催化活性 较高, 但是很不稳定.而此次报道的新 型CrO2-RuO2 固溶体材料目前具有 最高的酸性析氧电催化活性,并且在 10mA ・ cm-2 的电流密度下可以稳定

10 小时, 远优于商业 RuO2. 陈亮给出了如下的数字: 新材料 的分子式是 Cr0.6Ru0.4O2, Cr 的价格是 0.4 元/克, 相比 Ru 的价格几乎可以忽 略.因此简单地从元素成分上估算, 其 成本可以降低约 60%.当然, 前提是新 材料大规模制备方法也得开发出来. 氢能是最具前景的二次能源 全球氢工业发展迅猛, 市场规模从

2011 年的 1870.82 亿美元增长到

2017 年的 2514.93 亿美元, 增速达 34.4%.其中,美国是工业氢气最大的进口国, 而 荷兰则是工业氢气最大的出口国. 资料显示,

2017 年,全球主要人 工制氢原料的 96%以上都来源于传统 化石资源的热化学重整, 仅有 4%左右 来源于电解水.煤炭和天然气同样是 我国人工制氢的主要原料,占比分别 为62%和19%. 《中国氢能产业基础设 施发展蓝皮书 (2018) 》 数据显示,

2016 年中国氢气产量约为

2100 万吨, 其中 煤制氢占比 62%, 为主要的氢气来源;

天然气制氢其次, 占比 19%. 中国科学院院士、中国石........