Hydrogen From Renewable Energy

編者按：2021年7月8日，以"碳中和與未來能源"為主題的"第三屆未來能源大會(huì)"在北京召開，本次大會(huì)由中國能源研究會(huì)與中國能源網(wǎng)聯(lián)合主辦。會(huì)上，牛津大學(xué)材料系副教授Mauro pasta發(fā)表了"Hydrogen From Renewable Energy"的主旨演講。

以下內(nèi)容根據(jù)論壇演講實(shí)錄進(jìn)行整理。

Mauro Pasta：感謝主辦方的邀請(qǐng)，很榮幸能夠有機(jī)會(huì)，在第三屆未來能源大會(huì)上發(fā)言。我叫Mauro Pasta，在牛津大學(xué)材料系任副教授兼OSCAR的主要研究員，即位于中國蘇州的牛津大學(xué)高等研究院(蘇州)。

今天我想和大家談?wù)勎覀儸F(xiàn)在正在進(jìn)行的一些工作，即可再生能源制氫，尤其是開發(fā)更好的水分解反應(yīng)電催化劑。在此之前，我會(huì)介紹我們的研究，我也充分信任本次大會(huì)。早在2018年IPCC發(fā)表了一份關(guān)于全球變暖的特別報(bào)告，這是對(duì)全世界的警醒。如果世界需要警醒的話，本報(bào)告的一個(gè)關(guān)鍵結(jié)論是從這個(gè)角度強(qiáng)調(diào)的，氣候變化的凈損害成本可能十分巨大，并隨著時(shí)間的推移而增加，已經(jīng)沒有時(shí)間空談了，現(xiàn)在是時(shí)候采取行動(dòng)了。氣候變化和全球變暖沒有邊界，不分國家。因此，我們是一個(gè)共同體。因此，很高興了解到中國承諾到2060年實(shí)現(xiàn)碳中和，英國是第一個(gè)通過凈零排放法的主要經(jīng)濟(jì)體，那是2019年6月，在屏幕的右邊，我展示了一張圖表，從氣候變化委員會(huì)出版的白皮書中摘錄，有一些英國政府關(guān)于此項(xiàng)目的建議，我們首先能清楚地看到，溫室氣體排放是如何影響我們的日常生活，影響我們的大部分活動(dòng)的，我不涉及太多細(xì)節(jié)。我想強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是電化學(xué)儲(chǔ)能在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)中的重要性。所以從最上面開始發(fā)電，如果我們想實(shí)現(xiàn)這個(gè)宏偉的目標(biāo)，我們需要在很大程度上使電力脫碳，這意味著越來越多地引入和使用可再生能源。問題是可再生能源具有間歇性，很遺憾，陽光并不總是充足的，風(fēng)力并不總是強(qiáng)勁的，因此我們需要能量儲(chǔ)存來穩(wěn)定輸出功率并同時(shí)穩(wěn)定電網(wǎng)。電化學(xué)儲(chǔ)能必將在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)中發(fā)揮作用。

我們?cè)倏纯垂愤\(yùn)輸，我們需要做得是擴(kuò)大電動(dòng)汽車市場，大家都知道，電動(dòng)汽車的核心是鋰電池，一種典型的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，通過使用電力驅(qū)動(dòng)飛行，電池也有助于減少航空排放，這項(xiàng)技術(shù)的核心，即包括電化學(xué)儲(chǔ)能和轉(zhuǎn)換的，是氫經(jīng)濟(jì)。但我會(huì)在稍后的演講中再介紹氫，因?yàn)檫@是我今天演講的主題。我在牛津大學(xué)和OSCAR的研究小組，都希望為實(shí)現(xiàn)這些宏偉的目標(biāo)作出貢獻(xiàn)。通過開發(fā)更好的材料來改良當(dāng)前的電化學(xué)儲(chǔ)能和轉(zhuǎn)換裝置，特別是我們正在進(jìn)行很多工作以發(fā)展未來的電池，比如，引入更高能量密度，更便宜且更容易回收地理想材料。我們正在研究鋰金屬陽極，包括液體和固體電解質(zhì)結(jié)構(gòu)兩種，我們正在研究轉(zhuǎn)換陰極，特別是過渡金屬氟化物。我們也在研究無鈷陰極，特別是高壓鋰鎳錳氧化物。在鋰離子以外或與之平行的技術(shù)中，我們認(rèn)為尤其是鉀，可以在幫助可再生能源轉(zhuǎn)型和整合方面發(fā)揮重要作用。

但我今天演講的重點(diǎn)是我們正在進(jìn)行的電催化工作，大部分工作實(shí)際上是在OSCAR的實(shí)驗(yàn)室里完成的，即牛津大學(xué)高等研究院(蘇州)，OSCAR于2018年正式成立位于蘇州工業(yè)園區(qū)。在中國江蘇省蘇州市，成立OSCAR旨在幫助像我一樣的牛津大學(xué)學(xué)者，加強(qiáng)現(xiàn)有的伙伴關(guān)系并建立新的伙伴關(guān)系，與江蘇省乃至全中國的學(xué)者和公司合作，為我們的基礎(chǔ)研究項(xiàng)目助力，推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步并將其進(jìn)一步推向市場，OSCAR的愿景是幫助開發(fā)解決方案，以協(xié)助應(yīng)對(duì)重要挑戰(zhàn)。這不只是為了英中兩國，也是為了全世界，其中一個(gè)挑戰(zhàn)是，利用可再生能源生產(chǎn)氫氣，如今提到氫，我們主要考慮的是運(yùn)輸行業(yè)，但事實(shí)是全球絕大部分的氫需求，實(shí)際上都來自這些工業(yè)部門，尤其是化學(xué)工業(yè)，需要大量的氫，主要包括氨的使用，還有煉油工業(yè)、鋼鐵工業(yè)，更廣泛地說是整個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。

然而，你們看右邊，這些數(shù)據(jù)來自國際可再生能源機(jī)構(gòu)，于2018年發(fā)表的一份報(bào)告 遺憾的是，總產(chǎn)氫量中只有4%來自電解，這是來自可再生能源的，而目前絕大部分氫來自不可再生能源，主要是來自天然氣的蒸汽重組，我們轉(zhuǎn)換電能的裝置，最理想的是從可再生能源轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，也就是將水分解成氫和氧，這種裝置叫電解槽，電解槽技術(shù)主要有兩種，在氫氧化鉀水溶液中工作的堿性電解槽，通過使用隔膜達(dá)到堿性條件，這種技術(shù)的缺點(diǎn)是電流密度低，主要受羥基離子在溶液中，通過隔膜遷移的限制，一項(xiàng)很有前景的技術(shù)是質(zhì)子交換膜電解技術(shù)，也稱為PEM，這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是使用質(zhì)子交換膜，也就是質(zhì)子導(dǎo)體，所以溶液呈酸性，但我們把去離子水注入這個(gè)裝置，這是一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)。這種技術(shù)的缺點(diǎn)是對(duì)貴金屬電催化劑的需求，但是可以達(dá)到更高的電流密度，因此，快速反應(yīng)使其成為實(shí)施并利用?？稍偕茉吹拈g歇性地理想選擇，現(xiàn)在從y軸上看，可以看到超電勢(shì)，這是我們需要給我們系統(tǒng)的多余能量，以助其完成反應(yīng)10毫安c㎡的電流密度時(shí)長是2小時(shí)，左側(cè)是析氫反應(yīng)(HER)，右側(cè)是析氧反應(yīng)(OER)，這一數(shù)據(jù)來自2015年由斯坦福大學(xué)，Jaramillo教授研究小組發(fā)表的一篇論文，你可以很快注意到析氫反應(yīng)與析氧反應(yīng)相比，具有較低的超電勢(shì)，這是由于析氧反應(yīng)的內(nèi)在機(jī)制。產(chǎn)生每毫升氧氣需要四個(gè)電子，而與之相對(duì)的析氫反應(yīng)只需要兩個(gè)，同樣，在酸性條件下，質(zhì)子交換膜的模擬操作。你可以看到最具電催化活性的金屬是用于析氫反應(yīng)的鉑，而在析氧反應(yīng)方面，基于釕和銥的電催化劑是唯一，在操作現(xiàn)實(shí)的超電勢(shì)當(dāng)中實(shí)際可行的，我們快速看看這個(gè)簡短的成本明細(xì)，數(shù)據(jù)摘錄自2020年國際可再生能源機(jī)構(gòu)發(fā)表的一篇論文。 

可以看到，質(zhì)子交換膜電解槽的成本可以分為兩部分，一個(gè)是電廠配套設(shè)施，包括電源、去離子水循環(huán)、氫的處理和冷卻，可以將其看作一筆經(jīng)常性開支，而45%的成本實(shí)際上來自堆棧，在堆棧中，24%的成本來自催化劑涂層膜，那么催化劑，貴金屬制成的具有電催化活性的電催化劑，例如，具有全氟磺酸膜涂層的鈾和鉑，大約42%的成本來自制造，剩下的58%基本上平分。在膜和電催化劑銥和鉑之間，幾乎平分。如果你想進(jìn)一步降低電解槽的成本，隨著我們擴(kuò)大系統(tǒng)的規(guī)模，堆棧中帶來的部分成本將有可能增加，因此，我們可以進(jìn)一步降低成本，從基本物質(zhì)的角度來看，我們需要同時(shí)研究膜以及尤其是電催化劑，即便銥的獲取較為容易，但鉑銥在地殼中的含量卻并不高，所以如果我們想實(shí)現(xiàn)這些設(shè)備的規(guī)?；?，我們需要優(yōu)化它們的裝載，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的途徑之一是采用單原子電催化劑，傳統(tǒng)的電催化劑是基于納米顆粒，受支撐，通常是碳基導(dǎo)電支撐物，納米顆粒電催化劑的缺點(diǎn)是只有暴露在表面的原子才參與反應(yīng)，所以電催化活性物質(zhì)可以催化氧的生成，氫還原和水還原反應(yīng)。

因此，納米顆粒中的絕大多數(shù)原子，在催化反應(yīng)中是無法得到使用的，因此也會(huì)引起一些不良的副作用。相反，單原子電催化劑的概念大約是10年前提出的，由中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的研究人員提出的，這里的概念是在原子尺度上分散金屬，從而最大限度地利用貴金屬催化劑，所以我們基本上沒有不活潑的催化劑，因?yàn)槲覀冎挥谢钴S的表面，其巨大的優(yōu)勢(shì)還在于在原子尺度上，有非常有趣的量子尺寸效應(yīng)，我們還利用了不飽和的配位環(huán)境，這兩個(gè)方面都可以提高活性，增加選擇性，或者我們對(duì)選擇性也有一定程度的控制，單原子電催化劑目前存在的問題之一，是它們的合成，可以說許多用于合成單原子的方法，還沒有那么好的可擴(kuò)展性，這是我們OSCAR和牛津大學(xué)現(xiàn)行研究的很大一部分內(nèi)容。 

同時(shí)，加深對(duì)單原子和基質(zhì)之間，相互作用的理解，也是絕對(duì)必要的。這是我們特別感興趣的東西，你可以想象，單原子有很大的表面積，它們傾向于結(jié)合，特別是在操作過程中，所以更深入地理解單原子和基質(zhì)之間的相互作用，提出穩(wěn)定單個(gè)原子的策略。并把它們重新置于基質(zhì)上，是絕對(duì)必要的。這樣我們才能提高效率并大規(guī)模實(shí)施，為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，我們利用了非常先進(jìn)的表征技術(shù)，從下面的圖片可以看到，它們是非常高分辨率的透射電子和顯微鏡圖像，讓我們能夠看到單個(gè)原子，在尺度上按順序排列，我們還在做得是利用同步加速器表征技術(shù)。特別是，這里我們有X射線吸收光譜，由英國鉆石光源研究所收集，這項(xiàng)技術(shù)使我們能夠研究電催化劑的結(jié)構(gòu)，在本例中，也就是鉑的結(jié)構(gòu)，以及它如何在一個(gè)參數(shù)中演化出不同的電位，這為我們提供了很多關(guān)于單個(gè)原子、粒子和基質(zhì)之間互動(dòng)的信息。從而用4個(gè)月研究出如何制定更好的合成策略。

還有一項(xiàng)工作，我相信也是獨(dú)一無二的。主要是在OSCAR以及與江蘇省工業(yè)技術(shù)研究院合作，即制作我們單原子電催化劑概念的早期原型，能夠代表實(shí)際電解槽工作原理的原型，這是學(xué)術(shù)界的一個(gè)典型例子，我們很容易將單原子電催化劑直接安裝在膜上，但就電催化劑活性而言，這確實(shí)起到了一定的作用，因此，我們正在嘗試在開發(fā)過程的早期，在膜上制造單原子的原型并使用單原子，以便很快為我們的化學(xué)發(fā)展提供信息，使其有效且可大規(guī)模實(shí)施，我們的電化學(xué)儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建于2020年，現(xiàn)在已全面運(yùn)轉(zhuǎn)，擁有一支由科學(xué)家和技術(shù)人員組成的核心團(tuán)隊(duì)，和我一起從事于這些領(lǐng)域，但我們?nèi)栽谡匈t納士，如果你有興趣與我們共事或合作，歡迎聯(lián)系我們，這是我們的聯(lián)系方式，再次感謝主辦方的邀請(qǐng)。讓我有機(jī)會(huì)在第三屆未來能源大會(huì)上發(fā)言，期待很快能夠在中國見到大家，謝謝大家！