如何降低電解水制氫成本，加速其工業(yè)化應(yīng)用？

5月13日，據(jù)浙江大學(xué)新聞辦的消息，浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院侯陽研究員設(shè)計(jì)開發(fā)出了一種單原子OER(一種生成氧氣的反應(yīng))催化劑，能使電/光電催化水裂解析氧反應(yīng)更加高效，從而提升氫氣制備的效率，這種新型催化劑可降低80%的制氫成本。

氫被譽(yù)為21世紀(jì)的“終極能源”，高效廉價(jià)制取成為氫能市場化的關(guān)鍵一環(huán)。尤其是在氫能汽車的發(fā)展中，若想氫燃料電池車走進(jìn)“尋常百姓家”，氫作為原材料的制取可行性至關(guān)重要。

2017年，國際氫能委員會(huì)發(fā)布的首份《氫能源未來發(fā)展趨勢調(diào)研報(bào)告》指出，到2050年，通過更大規(guī)模的普及，氫能源將占整個(gè)能源消耗量的大約20%，全年的二氧化碳排放量能夠較現(xiàn)在減少約60億噸。

電解水制氫技術(shù)頻頻突破

氫氣從哪來？主要的技術(shù)方式包括傳統(tǒng)能源的化石原料制氫法、化工原料制氫法、工業(yè)尾氣制氫法、電解水制氫法以及新型制氫技術(shù)等。現(xiàn)階段，我國主要用來制氫的方法是化石燃料制氫法。

中信證券一份研究報(bào)告指出，我國是世界上最大的氫氣生產(chǎn)和消耗國家，約占全球30%。2018年全國工業(yè)制氫約2500萬噸，其中化石燃料制氫約占65%，工業(yè)副產(chǎn)氫約24%，電解水約占1%。

理論上來講，通過水裂解產(chǎn)生氧氣，進(jìn)而形成氫氣，是最常見的氫氣制備方法，但其產(chǎn)生的電/光電催化析氧反應(yīng)(OER)，會(huì)限制整體的能量轉(zhuǎn)換效率。因此，研制出廉價(jià)而又高效的催化劑，成為電解水制氫推廣的關(guān)鍵。

常用的氧析出商用催化劑是二氧化銥，但銥每克的價(jià)格接近黃金的兩倍，通過二氧化銥制氫的成本高出轉(zhuǎn)化為相同能量所需的汽油成本。另一種可作為催化元素的釕金屬更便宜，但在強(qiáng)酸、強(qiáng)氧化性環(huán)境中，二氧化釕在高的工作電位下極易被氧化為四氧化釕，失去催化活性。

不久前，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)吳宇恩教授課題組運(yùn)用創(chuàng)新工藝，研制出一種新型的釕單原子合金催化劑，向推進(jìn)“電解水制氫”的工業(yè)化應(yīng)用邁出重要一步。這一成果被選為今年4月《自然-催化》(學(xué)術(shù)雜志《自然》的子刊)的封面文章。

在氫能領(lǐng)域，這并非近期唯一的科學(xué)突破。

據(jù)《科技日報(bào)》4月1日報(bào)道，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所韓洪憲研究員和李燦院士團(tuán)隊(duì)與日本理化學(xué)研究所合作，研發(fā)出一種可在強(qiáng)酸條件下電解水制氫的長壽命廉價(jià)催化劑。

前述浙江大學(xué)的成果，是通過仿生學(xué)的方法，設(shè)計(jì)并開發(fā)出一種單原子OER催化劑，將高度分散的鎳單原子錨定在氮-硫摻雜的多孔納米碳基底上，用于高效電/光電催化水裂解析氧反應(yīng)。這項(xiàng)成果被知名學(xué)術(shù)雜志《自然通訊》(NatureCommunications)在線報(bào)道。

氫能汽車燃料成本或大降

為什么需要電解水制氫？

前瞻產(chǎn)業(yè)研究院的一份研究報(bào)告指出，目前煤氣化制氫和天然氣重整制氫，相對于石油售價(jià)已經(jīng)存在利潤空間。但用化石燃料制取氫氣不可持續(xù)，不能解決能源和環(huán)境的根本矛盾，并且碳排放量高，對環(huán)境不友好。電解水制氫是可持續(xù)和低污染的，隨著電價(jià)下降和技術(shù)發(fā)展、規(guī)模化效應(yīng)，電解水產(chǎn)業(yè)即將興起。

在氫燃料電池汽車的發(fā)展頻頻迎來政策利好的當(dāng)下，工業(yè)級電解水制氫的技術(shù)突破對氫能汽車有何影響？

浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院侯陽研究員表示，新一代燃料電池汽車對高能量密度提出重要需求，水裂解產(chǎn)生的氫氣能源將發(fā)揮重要作用。這項(xiàng)成果展現(xiàn)了工業(yè)級電解水制氫的潛能，或?qū)⒅π乱淮鷼淠芷嚧笠?guī)模降低燃料成本。

當(dāng)前，成本是制約電解水制氫走向大規(guī)模應(yīng)用的一個(gè)主要阻礙因素。卓創(chuàng)資訊分析師房明告訴21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道記者，電解水制氫的成本大約是每立方米3-4元。假如真的可以降低80%的成本，相比其他方式制氫1-2元每立方米的價(jià)格更低，當(dāng)然會(huì)成為一種十分理想的選擇。

不止是高校和科研機(jī)構(gòu)，企業(yè)也瞄準(zhǔn)了電解水制氫降成本的方向。

深圳一家燃料電池汽車研發(fā)企業(yè)的負(fù)責(zé)人向記者透露，公司今年不久前向廣東省科技廳申報(bào)了一項(xiàng)快速電解水制氫的新技術(shù)。“新技術(shù)有兩個(gè)優(yōu)勢，一是速度快，一小時(shí)大概可以制備20公斤氫氣；二是成本更低。”

這位負(fù)責(zé)人表示，電解水制氫純度高、雜質(zhì)少，重整和裂解制的氫，純度和含硫量都不能滿足燃料電池。一旦含硫量太高，對燃料電池的損害會(huì)極大，而在提純工藝這一塊，檢測微量元素的設(shè)備中國還沒有自主生產(chǎn)。

國鴻氫能常務(wù)副總經(jīng)理張哲軍告訴21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道記者，現(xiàn)在國家支持氫燃料電池汽車發(fā)展的方向已經(jīng)非常明朗，各界的熱情都比較高，在積極推動(dòng)做一些事情。

張哲軍表示，各地的情況不一樣，有的地方煤炭、天然氣豐富，有的地方工業(yè)副產(chǎn)氫就已經(jīng)足夠，有的地方棄電嚴(yán)重，用電成本更低，這導(dǎo)致制氫的方式選擇會(huì)不一樣。

“隨著氫能汽車的生產(chǎn)更加規(guī)模化，如果電解水制氫的成本大幅降低，這會(huì)成為一種主流的方式。”張哲軍說。