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30年后咋赚钱?年产值8万亿的清洁能源产业考虑一下

果壳 09-15 14:46 关注

30年后咋赚钱?年产值8万亿的清洁能源产业考虑一下

这是初中课本上的电解水公式

30年后,它可能价值8万亿——根据中国氢能联盟预计,到2050年,中国氢气需求量将达到6000万吨,年经济产值12万亿元,而这其中,70%将依靠电解制氢[1]。

“无碳”时代迎面走来

人类文明诞生至今,从木头到煤炭,从石油到天然气,碳元素的燃烧贡献了大部分能量。

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作为碳基能源,石油与煤炭都属不可再生能源 | www.bloomberg.com

碳基能源是整个世界的基础,这句话一点都不为过。然而,它所带来的问题也同样突出。碳燃烧放出的二氧化碳,制造了温室效应和一系列极端气候变化。绝大部分碳基能量,都属于不可再生资源,从某种意义上说,单纯依赖碳基能源,就是在透支人类和整个地球的未来

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清洁的氢能源,将是能源革命3.0的主角 | http://radioadelaide.org

但人类还有自我拯救的方法——被誉为下一场工业革命的能源革命3.0,而这场新能源革命的主角,是氢

氢能,一直被认为是一种终极能源,氢气相比于其他燃料其燃烧产物最清洁,基本只产生无污染的水,而且燃烧产生的水又可以继续制氢,反复利用。其次,氢气燃烧的比能量高,除核燃料以外氢气的发热值是所有燃料中最高的,是汽油发热值的3倍。再者,它“轻如鸿毛”,作为我们了解到的最轻的物质,即使是加压液化后的液态氢,密度也不及钢铁的1/10,这种低密度的性质使得它可以减轻燃料自重,增大运输工具的有效载荷量,从而有效降低运输成本。[2]

氢能的利用,将让人类告别碳基能源。2000年,氢的生产成本是石油的40倍,到2010年,这一比例已降至15倍,如今其成本约为石油成本的两倍,盈亏平衡在望。

也许在有生之年,我们能见到一个全新的时代——无碳的“氢能时代”。

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欧洲某公司的氢气生产线 | www.siemens.com

那么,问题来了,氢气从哪来?自然界中现成的氢气十分稀少。在空气中,氢气只占总体积的千万分之五。所以,我们要想办法把其他物质中的氢元素提取出来,制成氢气。

目前,工业化制氢的方法有三条路线,分别叫做“灰氢”“蓝氢”和“绿氢”

“灰氢”路线是将化石燃料裂解,从中获得氢气。比如,将煤在隔绝空气的条件下加热,能得到焦炭,这一过程会产生焦炉煤气,其中就含有大量的氢气。不过,“灰氢”路线的产物中不可避免地伴生着一氧化碳、二氧化碳。

“蓝氢”是“灰氢”的改良版,配合了碳捕捉技术,可以减少二氧化碳排放,但是成本也要高些。

“绿氢”是指用太阳能、风能这类可再生能源发电,再来电解水制氢。

目前,因为成本的关系,“灰氢”的产量占了氢能的绝大部分。我国作为世界第一产氢大国,单单2017年,氢气产量就超过2000万吨,这其中化石燃料裂解产氢占了近70%,电解水只有不到1%。

无论“灰氢”还是“蓝氢”,都没有从根本上解决碳排放的问题,所以电解制氢的“绿氢”才是氢能的未来。

于是,我们又要回到本文开头时的公式,怎么电解水?

拜托了,催化剂!

对于电解水,原理不是问题,操作起来也简单。在水中加些电解质,插进两个电极,加上电压。一切顺利的话,阴极生成氢气, 阳极生成氧气

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简易电解水装置示意图 | www.sciencephoto.com

但一切不会太顺利。

水的理论分解电压在1.23V,然而这仅仅是理论上的。实际操作中,水中的物理化学环境会偏离理想状态,需要施加的电压往往超过1.23V,而这超过的部分被称为“过电位”(overpotential) [3]。我们希望这个过电位越小越好,过电位越小,电解水需要的电能越少。

此时,催化剂该登场了。催化剂能降低反应过程中的阻力,把过电位降下来。

那什么样的催化剂是好催化剂呢?为了回答这个问题,我们还要再仔细琢磨一下电解水的过程。

氢气的产生其实是分两步的:首先是吸附过程,水中的氢离子吸附到催化剂表面,发生反应;之后再发生脱附,生成的氢气脱离催化剂表面。

整个过程中,如果氢与催化剂表面结合太弱,吸附步骤不容易发生,会拖慢反应进程;而如果结合太强,脱离步骤就要克服更大的阻碍,花费更多时间[3]。

因此,最好的催化剂对氢的吸附能力应该不强不弱。

而在众多元素中,对氢的吸附能力恰好处于中间状态的就是——铂(Pt)。

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铂元素产量少,价格昂贵,经常用来做首饰与珠宝 | www.wikipedia.com

目前,商用催化剂主要是铂和碳的混合物,其中碳的存在主要是增加导电性,并帮助铂颗粒与水充分接触。使用质量含量为20%的铂,能将产氢过程的过电位控制在30mV左右。

铂的催化性能虽然好,但是缺点也显而易见——太贵了。这种贵金属元素,全世界每年的产量只有不到200吨,当前的价格大概350元一克。

虽然氢能事关重大,但高昂的价格足以让人们望而却步。

科学家们就想找找有没有便宜点的替代品。几十年来,他们测试了各种元素、各种组合对产氢的催化能力。从非贵金属单质铁、钴、镍、铜、钼、钨,再到它们的化合物,氧化物、硫化物、磷化物、硒化物[3]。

在几乎遍历了所有排列组合后,倒也确实发现几种不错的替代品。但为了达到与铂接近的催化能力,这些候选材料要提高用量,或者经过复杂的处理,这样一套操作下来,成本其实也没便宜多少。有些学者甚至开始尝试,在排列组合的基础上再排列组合,也就是将多种催化剂材料相结合,想实现1+1>2的效果,想来又是一大波海量的工作。

当然,我们还有另一条路可走——就是尽量提升铂的利用率。

只要一个原子

催化过程发生在催化剂的表面。在传统铂催化剂中,表层的铂原子忙着吸附脱附,不亦乐乎,但内层的铂却无所事事,所以我们要想办法让更多的原子出工出力。

最简单的办法就是降低催化剂尺寸。一个边长为2的立方体和八个边长为1的立方体,体积相等,但后者表面积加起来是前者的2倍。

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通过降低尺寸,可以极大提升表面积

如果能不断降低铂的尺寸,就可以暴露出更多表面,让更多原子参与到催化过程中。简而言之,就是提高铂的原子利用率。

最近几十年,纳米技术日新月异,已经有了成熟的方法把物质做到几个纳米的尺度。目前,在最常用的商用催化剂中,铂颗粒的尺寸就是3~5nm。

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国产的铂碳催化剂,右图是其高分辨图像,其中深色点状物就是铂颗粒,尺寸在3nm左右 | www.hg-noblemetal.com

但这还不够。在小的这条路上,我们还可以走得更远。

“小”的终点是——单个原子。将材料的尺寸降到原子级别,理论上能把原子利用率提高到100%。

理论中的设想越美好,实际做起来的挑战越巨大。怎么得到单原子?怎么保持单原子的稳定存在?即使做出了单原子,它的催化能力又如何?在相当长的时间里,这些问题一直困扰着科学家们。

直到2011年,我国的张涛院士团队首次报道了“单原子催化剂”的成功制备。他们通过一种名为“共沉淀”的方法将铂单原子分散在氧化铁载体中。铂与载体间的相互作用能够让单原子稳定存在,并且能表现出优异的催化性能[4]。

中国人证明了 “单原子催化剂”的路子是走得通的。

经过近10年的发展,我们也在不断开发新的方法,做出更稳定,效果更好的催化剂。比如,2020年中国科学技术大学的学者,通过原子层沉积技术将铂单原子固定在一种碳骨架中,仅用了2.5%质量含量的铂元素,就实现了超过商用样品(铂含量为20%)的产氢能力[5]。

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在不同载体上的Pt单原子的扫描透射电子显微图像:(a)C3N4载体,(b)TiN载体,(c)LSC载体,(d)HSC载体。其中,高亮的“白点”就是Pt单原子。[6]

当然,不只是产氢,工业上很多反应都需要催化剂的参与。人们也在尝试将各种催化剂降到原子尺度:单原子铅(Pd)来加速乙烯氢化反应,单原子金(Au)来促进一氧化碳选择性氧化反应等等[6]。现如今,单原子催化剂已经成为了最激动人心的科研领域之一。

人类社会进步的标志之一,就是我们在越来越小的尺度上发挥材料的价值。从远古祖先“厘米级”的打磨石头,到工业革命“毫米级”的车床加工,再到当下“纳米级”的芯片制造。而“原子级”的生产领域,很可能率先被单原子催化剂所照亮。

有了这些高性能的单原子催化剂,我们也许能更早地走入到那个“氢能时代”。

几十年后,上万亿的生意,没准要落到这一个个原子的头上。

参考文献

[1] 中国氢能源及燃料电池产业白皮书(2019版),中国氢能联盟.

[2] Isolda, Roger, Michael, A., Shipman, & Mark D. Symes. (2017). Earth-abundant catalysts for electrochemical and photoelectrochemical water splitting. Nature Reviews Chemistry. 1, 0003.

[3] Wang, A. , Li, J. , & Zhang, T. . (2018). Heterogeneous single-atom catalysis. Nature Reviews Chemistry. 2, 65-81.

[4] Qiao, B. , Wang, A. , Yang, X. , Allard, L. F. , & Zhang, T. . (2011). Single-atom catalysis of co oxidation using Pt1 /FeOx. Nature Chemistry, 3(8), 634-641.

[5] Fang, S. , Zhu, X. , Liu, X. , Gu, J. , & Yao, T. . (2020). Uncovering near-free platinum single-atom dynamics during electrochemical hydrogen evolution reaction. Nature Communications, 11(1), 1029.

[6] Cheng, N., Zhang, L., Doyle-Davis, K. et al. (2019). Single-Atom Catalysts: From Design to Application. Electrochem. Energ. Rev. 2, 539–573.

作者:圆的方块

编辑:朱步冲

未经授权,不得转载

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全部评论 (2)
你的妈妈忽然
0
8小时前

很多都是想的如何制取氢,利用全面的氢,但现有条件下,利用小量氢来助力的应用方式很少见。我前几周刚好碰到了一个在现有条件下利用小量氢去助力现有科学水平的案例,真心觉得氢产业是未来的大势所趋。

chaner1211
0
09-15 15:42

目前风电制氢逐渐被风机厂家提上日程,国际范围很多大业主也都在尝试风电制氢,尤其是海上。

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