段東平：光解水制氫才是綠氫發(fā)展之路

編者按：9月14日，第五屆未來能源大會舉辦氫能技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展專題論壇，聚焦于氫能領(lǐng)域的前沿技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展。本次論壇由中國能源研究會氫能專業(yè)委員會秘書長徐文輝主持，與會專家學(xué)者從氫能技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)、前沿技術(shù)研究和應(yīng)用案例等幾個方面，對氫能產(chǎn)業(yè)以及未來能源的可持續(xù)發(fā)展展開深入探討。

中科院研究院段東平先生作了《光解水制氫才是綠氫發(fā)展之路》演講。

以下內(nèi)容根據(jù)論壇演講實錄進(jìn)行整理。

段東平：剛才說人沒有氧活不了，沒有氫活不好，我再加兩句，沒有水，生不下來，沒有陽光活不下去。就是想提前給我的演講命題做個宣傳。

我的命題今年6月份第一次在青海的格爾木，第二次是7月份在山東青島做了相同的演講報告，但是感覺反響并不強烈，似乎很少有人往這方面想也很少有人往這方面做研究，當(dāng)然全世界也沒有類似的生產(chǎn)線和產(chǎn)品。

今天提這個概念，我想在常州具備這樣的氛圍。光和水之間其實就是在地球上我們?nèi)祟惿娴淖罨镜膬蓚€條件，這兩個生存條件其實也是我們?nèi)祟愖盍畠r的兩個資源。水，幾乎是沒有成本的，而且可以肯定的是太陽光是沒有成本的，所以用沒有成本的原料去制備我們所需要的氫和氧，才是最廉價的，因此我們提出一個概念，什么叫綠呢?待會在報告里面會有相關(guān)的內(nèi)容，全球?qū)錃獾亩x也有明確的定義，比如灰氫、藍(lán)氫、綠氫，綠氫的要求是什么?排碳最少?，F(xiàn)在排碳最少的是電解水制氫，因此大家統(tǒng)統(tǒng)把電解水制氫稱作了綠氫，接下來我把我的內(nèi)容給各位做一個分享。

內(nèi)容分四部分，重點是在推薦我們前天在常州未來新能源大賽剛剛獲得一等獎的我的一個技術(shù)。2019年建國70周年的時候，中國科學(xué)院學(xué)部給中央提交了一個報告，報告里面有很多內(nèi)容，我選了兩個圖，出現(xiàn)了兩條S型的線，這個S型的線在全球是通用的，資源開發(fā)的力度和能源消耗量幾乎是一致的，因此它說明了一個問題，人均GDP事實上也跟這個S型的曲線成正比關(guān)系。中國的發(fā)展跟其他國家有所不同，在最近的四十的年間飛速發(fā)展，所以我們S型線的上升梯度也非常大。

在雙碳政策出臺之后，尤其是2021年國家對氫能政策給予了明確的指示之后，各種相關(guān)的文件、政策陸續(xù)出臺，這個時候我們國內(nèi)各行各業(yè)都開始關(guān)注這個事情。其中有一個非常重要的概念，就是氫究竟是用來干什么的?，F(xiàn)在在現(xiàn)有的能源體系下，氫更多的是被看作是一種儲能的方式。但是我個人非常傾向這樣一個觀點，氫是未來能源的終極形式。在我的技術(shù)里邊，就是把氫和電作為最終的兩個能源形式來看待的。

氫之所以獨特，不光是從環(huán)保性上，人們通常認(rèn)為的對工業(yè)、對民用使用上的便利，更重要的是氫的燃燒值非常高，相同重量的氫是汽油燃值的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍，單位質(zhì)量的燃值經(jīng)濟性非常好，而且它燃燒之后釋放的是水，這是它巨大的優(yōu)勢。也因此全世界也都在共同推進(jìn)氫能的發(fā)展。我們可以看，幾乎所有國家都把2030年作為一個階段性的目標(biāo)，因此在這個時間點上我們國家也制訂了相應(yīng)的政策，

從國家明確出臺政策之后，我們國內(nèi)首先是央企旗幟鮮明的站出來要發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，類似中石油、中石化這樣的大型國企紛紛站出來。但是遺憾的是，中石油、中石化恰恰是灰氫的主產(chǎn)企業(yè)。我們國家2022年氫氣的總產(chǎn)量大約3500萬噸，其中3400多萬噸都是灰氫，基本上都集中在中石油、中石化這樣的大型企業(yè)里面。

從現(xiàn)在對氫的用途來看，是紛紛出現(xiàn)的小企業(yè)以及應(yīng)用研發(fā)技術(shù)層出不窮的源泉。大家更多的關(guān)注它的用途。因為從產(chǎn)量上講，不論是灰氫、綠氫還是藍(lán)氫，它有體量放在那里，現(xiàn)在是三千多萬噸，大約在2035年左右要達(dá)到5億噸的數(shù)量，以大規(guī)模生產(chǎn)為主，因此應(yīng)用端的需求是層出不窮的，而且是細(xì)分的。從氫的結(jié)構(gòu)來看，現(xiàn)在電解水制氫只是很小的一個比例，而且也只是把電解水當(dāng)做綠氫來看待。

技術(shù)路線，首先看右側(cè)這個圖，灰氫是多碳，藍(lán)氫是少碳，真正的綠氫是指的零碳排放才叫綠氫。大家通常所理解的綠氫是指的電解水制氫，電解水制氫現(xiàn)在有三種技術(shù)路線。電解現(xiàn)在更多的是要用新能源的電來完成這項工作，新能源的電似乎就接近綠氫了。但是真正用新能源來產(chǎn)氫，有四條路徑，有三條路徑是電解水制氫的路徑，它其實是比較復(fù)雜的，每個工藝環(huán)節(jié)都有設(shè)備的投入、有材料的選擇、有原材料的消耗等等，工藝路徑越長，它的設(shè)備投資、造價都會越高，因此它和零碳排放的距離其實就越遠(yuǎn)。光解水制氫的技術(shù)路線的核心問題不在路線上，而在靠什么來光解，催化劑才是它的核心技術(shù)。這條技術(shù)路徑是最短的，因此它在碳排放上未來一定是最低的，只有通過光解的技術(shù)路線未來才能真正實現(xiàn)綠氫。實現(xiàn)綠氫不代表在短期內(nèi)綠氫就能占主導(dǎo)地位，畢竟產(chǎn)量還是很重要的問題。

真正的光解水制氫從技術(shù)路線上講很明確的，最簡單也是最便宜的水分解方法。但是越簡單的事情實現(xiàn)起來越困難，所以它明確的強調(diào)了水分解過程效率很低，需要額外的能量來分離氫和氧氣，光穩(wěn)定的狀態(tài)是一個限定的環(huán)境，如何實現(xiàn)具有挑戰(zhàn)性，這是現(xiàn)在我們對光解水制氫技術(shù)路線的認(rèn)識，它的難度其實是巨大的。

從國內(nèi)外的情況來看，現(xiàn)在的綠氫，電解水制氫只有4%，產(chǎn)量依然很低，競爭力也嚴(yán)重不足。但是越是在這種大氛圍下，才越有科技創(chuàng)新的動力和發(fā)展前景。

重點的是在工業(yè)界要考察它的成本，對用戶來說并不關(guān)心究竟排碳對用戶的影響是多大，而是關(guān)心它的成本?，F(xiàn)在我們說用光解水來制氫，現(xiàn)在預(yù)測的成本基本上是人民幣8到10塊錢/公斤。如果用電解水的方式來完成，現(xiàn)在的成本根據(jù)電價的不同大約是16到40塊錢/公斤。給大家介紹一個數(shù)據(jù)，用電解水制氫本身它的能效是很低的，正常情況下電解水的工藝，先不管電價，55度電產(chǎn)一公斤氫氣，然后這一公斤氫氣你燃燒之后讓它放熱制電，只能制18度電，電解水制氫真正的能效其實只有30%，55度對18度這樣一個比例。

因此我們集中在如何來解決光解水制氫核心的技術(shù)，就是催化劑這個材料。我們的團(tuán)隊也提出了這樣一個目標(biāo)，用最短路徑把太陽能轉(zhuǎn)換成電能，并可以同時高效光解水制氫。

首先要在新材料上有所突破。在這里給大家推薦一個研究發(fā)現(xiàn)，今年的3月8號，全球頂級的雜志Nature上發(fā)表了一篇中國西湖大學(xué)的論文，3月10號在國內(nèi)翻譯成中文之后進(jìn)行了轉(zhuǎn)載和述評。這篇西湖大學(xué)的論文介紹的一個情況，他們的研究團(tuán)隊采用激光束激發(fā)的方式，對很多種半導(dǎo)體材料以及金屬材料進(jìn)行了激發(fā)，去測試這些半導(dǎo)體材料的光電轉(zhuǎn)換性能，得出了截至目前他們所使用的所有半導(dǎo)體材料只有一種材料在激光激發(fā)之后表面出現(xiàn)了“光陰極”。不知道各位是否理解什么是“光陰極”。我們目前的導(dǎo)電材料之所以能導(dǎo)電，是因為金屬材料里面有自由流動的電子，所以金屬材料我們更多的把里面的電子它的存在狀態(tài)描述為電子云的形式。這個光陰極和我們在導(dǎo)電金屬材料里面所描述的電子云基本上是一類現(xiàn)象，只不過這是半導(dǎo)體材料，而且是目前全球首次發(fā)現(xiàn)在半導(dǎo)體材料可以出現(xiàn)“光陰極”，也就證明這個材料具備非常好的激發(fā)電子的能力，就是用光來激發(fā)電子的能力。這個材料就是鈦酸鍶，在西湖大學(xué)的試驗當(dāng)中用的是六面體材料。

今年4月份西湖大學(xué)的現(xiàn)任校長施一公院士，在廣東做西湖大學(xué)成立之后的宣傳推薦的一次大會上，介紹西湖大學(xué)成立以來重要的科研進(jìn)展，排在第一的就是這件事情。而且他明確的說這是西湖大學(xué)目前對科學(xué)界最重要的一項貢獻(xiàn)。我之所以把它用到這里，是想佐證一下，在十幾年前我們已經(jīng)預(yù)測到了這件事情，只不過他們是做物理的，我們是做化學(xué)的。所以我們在十幾年前就已經(jīng)開始在做這個工作。

鈦酸鍶現(xiàn)在市場上只有一種材料，是六面體材料，之前一直用在電子行業(yè)，壓電、介電，它的化學(xué)穩(wěn)定性也非常好。我們的研究從2012年5月份開始，首先對六面體材料的合成進(jìn)行了全方位研究，因為我們是做化工材料制備的。在整個研究過程中已經(jīng)完全可控的實現(xiàn)規(guī)則六面體的制備，我們材料的均勻性非常好，右邊是產(chǎn)品的顯微照片，規(guī)則性非常好?，F(xiàn)在我們已經(jīng)拓展到了很多的多面體。2017到2019年，日本東京大學(xué)的一些教授就用這個六面體材料，對他的光電轉(zhuǎn)換性能進(jìn)行了研究和測試，當(dāng)時日本的研究結(jié)果是這樣的，在紫外光的區(qū)域，比如說350納米、360納米、365納米光的區(qū)域，光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)96%左右，非常之高。如果有一萬個光子，當(dāng)然是指的這個納米波段的光子，撞擊到六面體鈦酸鍶表面，就會有9570或者9600個光子轉(zhuǎn)化成電子，激發(fā)出來了的電子，這是日本在前幾年公布的研究結(jié)果。

而事實上，我們從化工材料合成的角度，更多的關(guān)注到另外一個問題，僅有紫外光是不能代表我們對太陽能的利用的。另外，材料本身其實是多種形態(tài)和多種結(jié)構(gòu)的，因此我們在隨后的研究當(dāng)中，陸續(xù)的制備出來了很多種不同材料。剛才的六面體材料六個面分別用晶體的定義來看叫100面，我們合成出來了包括110面的十八面體和包括111面的二十六面體的鈦酸鍶材料，而且我們還合成出來了這兩種多面體材料的中空結(jié)構(gòu)的材料，這樣就使得這個材料能夠更好激發(fā)光電轉(zhuǎn)換能力的晶面更多的暴露。比如說中空材料，由于中空，所以它的面甚至可以達(dá)到四十面以上，這樣的材料最終我們把它拓展成了現(xiàn)在的格局，從最早的六面體一直拓展到了各種鈦酸鍶的復(fù)合材料，這個過程中我們拓展了響應(yīng)的光域范圍，目前可以做到從200納米到800納米光的利用。光催化性能得到了大幅提升。

這是我們的研究和檢測結(jié)果，簡單給大家介紹一下。比如十八面體，我們做了各種檢測和試驗測試，它的效率是非常高的。

還比如說，我們在光電轉(zhuǎn)化和光催化上面重點要利用的是二十六面體，二十六面體很重要的就能夠?qū)崿F(xiàn)我們說的光電轉(zhuǎn)換的高效率。對于中空的二十六面體材料來說，它的光電轉(zhuǎn)換能力就更強。為什么叫更強呢?我們的光激發(fā)到某一個晶面上的時候，它可以穿透，也可以反射，如果說激發(fā)出來了90%幾，事實上它穿透進(jìn)入晶體之后激發(fā)了里面的電子，反射就沒有起到太大的作用。但是如果是中空結(jié)構(gòu)的材料，光進(jìn)去之后會產(chǎn)生回旋，在納米尺度的材料空間，光在里面自己產(chǎn)生折射、反射、回旋，那么光的利用率就會大幅度提高，因此和我們常規(guī)的對光伏理解的概念完全不同。很多我們的學(xué)者包括企業(yè)家們經(jīng)常跟我們探討，你們光是穿透了多少，事實上我們根本就不是一個概念，我們讓光在里面，期望它永久的停留下來。待會會介紹我們現(xiàn)在成套的技術(shù)里面，未來的目標(biāo)是實現(xiàn)黑洞，就是我們的光反應(yīng)最終實現(xiàn)黑洞，這當(dāng)然是極高的研究目標(biāo)，也是一個極限的指標(biāo)。

最重要把光電轉(zhuǎn)換出現(xiàn)的電子把它遷移出去，讓它變成電流，或者是變成電解水制氫的電子，所以還要把它再引導(dǎo)出來，我們因此又制備了各類的光電轉(zhuǎn)換的復(fù)合材料，最后完成了這項工作。

繞到我們今天的主題，我們今天其實是在說氫，而我們這項技術(shù)其實是電和氫同時在做。至于說光解水制氫這個問題，最早是1967年日本的藤島昭教授發(fā)現(xiàn)了這個現(xiàn)象，之后很多的催化劑用于光解水技術(shù)，只不過一直沒有很重要的突破。

我們獲得的突破是什么呢?首先是關(guān)鍵材料的突破。從六面體一直拓展到二十六面體以及其中空材料。我們這些面究竟有什么差別呢?可以看下面的圖，有四個柱，第一個黑色的柱上面寫的11.1%，是我們采購市場上正在銷售的六面體鈦酸鍶的商用產(chǎn)品進(jìn)行測試，它的光電轉(zhuǎn)換效率只有11%。我們的實驗室非常精準(zhǔn)調(diào)控的六面體材料它的光電轉(zhuǎn)換效率理論值是13.7%，是同一個數(shù)量級，因此很少有人認(rèn)為鈦酸鍶可以用于光伏，就是因為它只有百分之十幾，和多晶硅29.4%還差的老遠(yuǎn)，所以沒有人認(rèn)為。

第三個柱，二十六面體也好還是十八面體也好我們出現(xiàn)了一個110晶面，這個晶面的光電轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到36.8%，這個數(shù)據(jù)就很可觀了。

圖片上特定標(biāo)了一個111，111晶面的光電轉(zhuǎn)換效率可以高達(dá)46.9%，正是因為這樣的數(shù)據(jù)采使得這個材料的光電轉(zhuǎn)換能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了現(xiàn)在所有的催化材料。西湖大學(xué)用激光去激發(fā)的這個半導(dǎo)體材料是最左端的六面體鈦酸鍶，他們的論文出了之后我還特地去了西湖大學(xué)找到這個團(tuán)隊的負(fù)責(zé)人何瑞華教授，了解清楚了他的確是用的這個東西，因為他從來也不知道還有我們一研發(fā)出來的多面體材料。

就用這樣的材料，我們來做幾個對比。假設(shè)按照垂直方向，法相太陽光照射到地球之后，我們把它照射到地面的能量看成百分之百，我們所設(shè)計的系統(tǒng)做了幾件事情，第一步是進(jìn)行反射，把太陽光反射進(jìn)來，反射用反光鏡，類似我們常規(guī)的鏡子，因為它價格也很便宜，我們經(jīng)過兩次反射，一次反射效率大約97、98%，兩次反射效率乘下來大約92%左右，我們折算了一下取了個低值，91%。然后再進(jìn)入我們的光反應(yīng)器，我們的光反應(yīng)器的吸收率我們目前把它設(shè)定在60%，我們未來的目標(biāo)是黑洞，也就是這個60%未來的目標(biāo)逼近100%，是指的60%那個地方的柱逼近100%。

第三個，進(jìn)到光反應(yīng)器之后，光電轉(zhuǎn)換效率目前我們按照90%來測算，不是大家理解的光電轉(zhuǎn)換，因為我們要把它在里面反復(fù)的進(jìn)行回旋，所以要達(dá)到90%的光電轉(zhuǎn)換效率，這樣測算下來光電轉(zhuǎn)換率就49%，最后在輸出端還有一個工效問題，按92%來測算，最終按照現(xiàn)在設(shè)定的指標(biāo)，光電效率45%。

我們整個系統(tǒng)的設(shè)計從理念上有一些獨特性，比如材料、比如我們采取了高倍聚光這樣的一些技術(shù)，使我們最終的效率大幅度提高。第三是在研發(fā)技術(shù)上有一些突出的優(yōu)勢，現(xiàn)在我們整個系統(tǒng)在多面體鈦酸鍶進(jìn)行高倍聚光，實現(xiàn)聚光下的光伏發(fā)電，以及同時實現(xiàn)光解水制氫這樣的一體化成套技術(shù)。

這些工作我們在中國科學(xué)院的實驗室里面幾年前就已經(jīng)陸續(xù)完成。我們通常認(rèn)為太陽光照到地面上就是太陽光，事實上當(dāng)你把太陽光的倍數(shù)進(jìn)行增強之后，會有意向不到的奇跡出現(xiàn)。我們正在建的示范線目標(biāo)是2000倍的聚光。右邊這個圖就是我們現(xiàn)在正在建的示范線的模擬圖，左邊的圖就是我們在實驗室通過20倍的聚光，在產(chǎn)氫的過程中。當(dāng)時參觀者很奇怪，說里面是不是已經(jīng)出現(xiàn)高溫，因為它里面氣泡像開鍋了一樣，把手伸上去的時候發(fā)現(xiàn)溫度只有三四十度，事實上它是在光解水制氫。

這些技術(shù)優(yōu)勢給大家介紹完了以后，最后再簡單說一下。我們這項技術(shù)已經(jīng)持續(xù)十多年了，現(xiàn)在有大批的專利在做保護(hù)，而且我們已經(jīng)把中國科學(xué)院相關(guān)的八個專利打包，由一家公司統(tǒng)一購買，接下來要做知識產(chǎn)權(quán)的運營，他們第一筆融資兩千萬元已經(jīng)完成，知識產(chǎn)權(quán)的采購，第二筆融資一千五百萬元現(xiàn)在正在建第一條線，接下來很重要的是我們把我們這個材料要在各個行業(yè)進(jìn)行推廣。比如十八面體的我們就跟北京的一個上市公司，讓它獨家買斷十八面體的使用，跟它成立了聯(lián)合實驗室。我們現(xiàn)在說的二十六面體就是用于光伏聚光發(fā)電和光解水制氫。在這個基礎(chǔ)上我們已經(jīng)有各種設(shè)計方案，比如最小型的1兆瓦的用于野外移動橇裝式的應(yīng)用場景，固定式的以10兆瓦、50兆瓦等等這樣的模塊化的生產(chǎn)裝備來進(jìn)行生產(chǎn)。我們現(xiàn)在研發(fā)的事實上是成套裝備，未來不管落在哪個地方，現(xiàn)在我們在國內(nèi)想選五個左右的城市做產(chǎn)業(yè)基地，是裝備制造基地，未來每個基地目前設(shè)計能力按照2GW裝備制造能力來設(shè)計。

我們的研究團(tuán)隊都是中國科學(xué)院的研究人員，之所以這樣做，是因為我們并不去做裝備制造線的管理和生產(chǎn)，我們只做知識產(chǎn)權(quán)運營。我們要把擅長做裝備、做銷售、做市場拓展的公司成為我們的合作伙伴，這些公司跟我們合作，我們通過知識產(chǎn)權(quán)運營完成我們這個技術(shù)在全國以及國際上的推廣。

最后，這些年經(jīng)常會用到一個詞叫“卡脖子”，因為中國科學(xué)院有這樣一個使命和責(zé)任，我們其實更多的希望不卡脖子，同時能夠輸出中國的高精技術(shù)。我們現(xiàn)在這項技術(shù)就屬于這樣一個高精技術(shù)，從材料制備、技術(shù)路線以及成套裝備的研制，完全自主知識產(chǎn)權(quán)，而且完全是我們中國人自己的專利。事實上國內(nèi)的光伏統(tǒng)統(tǒng)是學(xué)的國外的技術(shù)，未來我們希望能夠讓我們中國在光伏領(lǐng)域的技術(shù)從原來的模仿、跟蹤到自主創(chuàng)新和引領(lǐng)，能夠推動我們中國的技術(shù)的發(fā)展。

我們的技術(shù)全稱叫全光域響應(yīng)多面體鈦酸鍶光伏發(fā)電光解水制氫一體化的技術(shù)，感謝各位。