新能源
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中科院過程工程研究所段東平研究員做了主題為《多面體鈦酸鍶光量子發(fā)電與光解水制氫一體化成套技術》的報告。
以下內(nèi)容根據(jù)論壇演講實錄進行整理。
段東平：感謝主持人，也感謝大會組委會邀請我來參加會議，跟大家分享一下我的工作。
我的工作題目很清晰，有三行字，先做一點點解釋。
一、研發(fā)出來了一種目前是全球首創(chuàng)的材料，多面體鈦酸鍶，當然重點用的是26面體鈦酸鍶，以及中空結構的26面體鈦酸鍶，這個材料目前在制備完成兩年多的時間里面，已經(jīng)把專利和應用場景進行了細分，截至目前還沒有在全球看到有人制備出來，包括鈦酸鍶，包括其他材料的多面體材料。
二、技術由于多面體的精煉，能夠非常高效的吸收和轉換光電子，因此在技術路線設計當中，一方面用它來發(fā)電，同時放在水里面實現(xiàn)了光解水制氫，一套技術當中采用一套裝置完成兩項工作，所以我們把它叫做一體化的成套技術。
事實上這里面還集成另外一個技術，在報告里面提到，采用了聚光的方式實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應用的瓶頸。
我今天的內(nèi)容重點從三個方面看一下技術的開發(fā)情況，首先重點是開辟出來了新能源材料，就從現(xiàn)在全球的情況來看，新能源材料定義的已經(jīng)很清晰，在各種場合下，比如隨便選幾個去搜，新能源材料的界定很清晰，一般指的鋰、硅等等材料，很少有其他的元素能充當新能源材料。另外有一個很重要的概念，我們真的可以認真分析一下，截至目前全球新能源技術的發(fā)展，目前似乎第一中國人還沒有開發(fā)出來屬于我們自己獨有知識產(chǎn)的新能源材料。
二、整個體系當中無論是標準還是技術源泉，似乎都是來源于西方的國家。說到的鈦酸鍶很巧，今年的3月8日Nature發(fā)表了一篇文章，他們正好佐證了我們現(xiàn)在使用材料的獨特性，他時候的文章有一張圖片，就是大家看到的右側照片，他們用激光去轟擊現(xiàn)有的很多半導體材料，當然包括了硅，包括了二氧化碳，包括了其他的氮化硅等等很多材料，也包括現(xiàn)在市場上可以買到的六面體鈦酸鍶材料。
在轟擊了這些半導體材料之后，西湖大學發(fā)現(xiàn)目前僅有一種材料具備由激光轟擊之后表面出現(xiàn)了光陰極現(xiàn)象，這個材料就是他們所使用的六面體鈦酸鍶。光陰極實際上在物理學上很容易理解的概念，材料的表面可以由大量的電子聚集，電子可以自由流動，現(xiàn)象更像是金屬材料當中的電子云，實際上這個地方用了一個在半導體行業(yè)的詞，叫光陰極，只是證明材料的獨特性，是今年3月8日被西湖大學佐證了一下。
再來看另外一個變形的元素周期表，在2019年，歐洲化學會和英國皇家化學會聯(lián)合發(fā)布了元素周期表，列了90種元素，按照未來一百年對人類將會產(chǎn)生影響，甚至最嚴重的到了威脅生存或者生活的緊張程度的元素，進行了分類，這上面包括好幾種顏色，比如綠色的，就是未來沒有危機的，黃色的大約會逐漸稀少，偏橙黃色的未來資源量肯定會逐漸的減少，最嚴重的就是圖片上偏棕紅色的顏色。
棕紅色的顏色里面有12個元素，其中有一個是氦，氣體元素，還有剩下的基本都是金屬元素。在這些元素當中，最左邊的可以看到是一個鍶，鍶事實上很少有人了解，甚至中國人都很少知道鍶是什么樣的元素，我們正好今天在重慶開會，我在4年前的11月2日在重慶做了一個報告，我們要做的事情是打造世界“鍶都”，重慶當仁不讓，說的重慶人莫名其妙，資源開發(fā)以及宣傳還是沒有到位。
鍶對于歐洲來說，或者對于很多西方國家來說，他們的發(fā)展戰(zhàn)略當中非常重要，但是它的資源非常緊張，而鍶資源在現(xiàn)在全球已經(jīng)探明的1.42億噸的儲量當中，中國占了8200萬噸，占總量的57.6%，當然重慶的量更大，重慶是現(xiàn)在全球最大的鍶資源儲地，現(xiàn)在探明儲量3807萬噸，占全世界的26.7%，因此在大背景下就提出了接下來要說的技術路線，我們有非常大的優(yōu)勢，中國的資源優(yōu)勢加上技術的卡脖子優(yōu)勢，可以完成這一項技術。
鈦酸鍶原本早就存在，原來六面體鈦酸鍶一直作為壓電材料、介電材料在使用，事實上在市場上可以買到常規(guī)產(chǎn)品。但是我們經(jīng)過十余年的研究，把材料性能進行了深度的拓展和挖掘，現(xiàn)在已經(jīng)成功的在實驗室以及放大規(guī)模的設備商制備出來批量的二十六面體材料和中空材料，材料從外觀上圖片很清晰，性能上有很多與現(xiàn)在的半導體材料以及其他的新能源材料有巨大差別的特征，一方面就是光電轉換效率，在下面從左往右數(shù)第二個柱狀圖可以看，四個柱分別是市場上常規(guī)的鈦酸鍶產(chǎn)品的光電轉換效率，測試的結果是11.1%。
第二個紅柱是實驗室自己制備的形貌非常規(guī)則的六面體鈦酸鍶，就是左上角圖片的材料，共建轉換效率測試結果是13.7%，當然前兩個是一個數(shù)量級，因為規(guī)則不規(guī)則，形貌是不是統(tǒng)一，影響了一些光電轉換性能。
第三個綠色的柱，是十八面體鈦酸鍶，光電轉換效率高達36.8%。
第四個是二十六面體鈦酸鍶，光電轉換效率高達46.9%。
原因就是晶面嚴重的拓展了光電轉換效能，從材料未來應用上講，我覺得基礎性質是一定要搞清楚的，在右下角我們也特地列了四句話。
一、穩(wěn)定性特別好，熔點高達2060度。
二、由于多晶面可以激發(fā)出更多的有效光電子，這是我們在新能源領域非常需要的現(xiàn)象。
三、事實上現(xiàn)有的新能源技術非常害怕紫外線，而現(xiàn)在的材料可以覆蓋從200納米到800納米的區(qū)間，紫外光更好的轉換成為光電子。
四、由于采用的聚光技術，因此我們認為現(xiàn)在的技術實際上是一個已經(jīng)超越了三維空間結構的四維技術架構，形成這樣一條技術。
具體的從研究上講有幾個圖片，大家簡單過一下，比如如何從晶面調控，實現(xiàn)不同晶面的鈦酸鍶合成，這是我們做的工作，再通過一些表征、檢測得到準確的參數(shù)，獲得全球認可的材料相關數(shù)據(jù)。
另外，分別要對多面體材料進行光電子利用效率的測定，我們同樣也做了相應的一系列工作。
比如二十六面體材料，在去年德國材料學會的頂級期刊small上發(fā)表了一篇文章，被他們選為了封面，同時也充分肯定了全球首次制備出來二十六面體納米晶體的技術。最近也一直在深入的研究晶面調控的機理以及調控方法，這個工作也在今年10月份在美國化學會刊GMCA上又獲得了封面的刊登，當然有很好的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給了全球。
從過去十年當中，在各方面做的一系列研究，重點解決了光電轉換當中的機理問題，我在這里列了四條。
一、提高了鈦酸鍶光載流子的轉換與遷移效率。
二、提出了新的鈦酸鍶光載流子的激發(fā)態(tài)模型。
三、揭示了鈦酸鍶晶面的解體合成機理和調控機制。
四、揭示了鈦酸鍶中超低激子結合能的亞穩(wěn)態(tài)激子對的存在以及各項異性的分布特征，這些其實是機理性的研究。
但是機理性的研究和材料的制備最終必須拿到用途，或者引發(fā)出來新的成套技術，才能夠獲得新的認可。
我們的用途其實就集中在大家現(xiàn)在更關注的新能源領域，包括太陽能、氫能等等，帶這個基礎的研發(fā)過程中有這樣一個體會，就是下面這句話，我認為人類利用自然能最理想方式，就是用最短路徑把太陽能轉換成電能，并且可以同時高效的光解水制氫，目前所看到的所有技術里面，我認為這個可能是難度最大的，或者說將來解決起來大概是終極的技術路線。
和新能源的對比，通常會拿晶硅光伏板，甚至最近這兩年熱起來的鈣鈦礦材料，鈣鈦礦電池材料去進行對比，這是現(xiàn)有的晶硅技術制作的簡單簡圖，在這里做個背景。制氫其實也一樣，全球很多制氫的技術路線，現(xiàn)在通常被認為濾氫制備技術的路線當中，左邊的圖里面可以看到其實有四個路線，圖里面最左邊的線就是光解水制氫的技術路線，從技術路線上看，最簡單的制氫路線就是光解水制氫，但是往往最簡單的時候，技術路線或者技術難度是最高的，所以我們的工作就是接下來解決的事情。
怎么解決?做一個對比，我在這里列了三行的圖片，是從原礦開始一直到產(chǎn)品做一個相對應生產(chǎn)環(huán)節(jié)的對比，比如第一行就是晶硅電池技術全流程的分布圖，它有它的特點，當然現(xiàn)在在全球推廣開來，有它的優(yōu)勢，簡單可以看一下。
第二行就是鈣鈦礦電池領域的人在參考晶硅電池的技術路線，在模仿相應的電池所開展的工作，上下第一行、第二行的區(qū)別其實都是用的礦產(chǎn)資源，只不過在進行材料的合成和制備的時候，晶硅是用的高能耗的電爐進行了冶煉，鈣鈦礦的材料是用了低能耗的化工反應器進行了化學的合成，后面同樣都是用單倍光照射板狀的或者是模狀的材料實現(xiàn)光電轉化，同樣鈦酸鍶也是一種化工合成的材料，當然可以把它列為是典型的鈣鈦礦材料，但是我們的研究后來就做了新思想拓展。
我們最熟悉的就是化工，最要開展的就是化學反應，因此把我們的材料并沒有放進摩爾里面，也沒有放到晶硅板子上面去，而是把它放在了化工反應器里，用陽光作為光電轉換的原料，來實現(xiàn)最終的光電轉換基礎，所以最下面這行是現(xiàn)在對技術的思路是這樣來做的，技術路線其實在打通之后，現(xiàn)在的材料已經(jīng)委托合作，跟北京的上市公司全部買斷了，已經(jīng)拿走了，現(xiàn)在把二十六面體在發(fā)電和制氫上應用，我們做的技術其實類比的叫投資方，經(jīng)常類比的就是晶硅等等，我們的技術集成之后，大家在右下角可以看到圖片，現(xiàn)在正在鄭州建設兩千倍聚光的示范縣。
未來在整個技術當中要實現(xiàn)的是綜合光電轉換效率45%，每克鈦酸鍶光解水制氫速率每小時6個毫摩爾，通常全球的數(shù)據(jù)是6摩爾，我們大概是他們的一千倍到一百倍左右。單倍光STH值是1.15%，當然成本在這里也有，發(fā)電大約測算的是0.1到0.15，制氫大約是每千克8到12元，具體的技術路線從這里可以簡單的看一下，左上角就是核心技術、材料，把它要裝在光反應器里，最后把水和聚光之后的太陽光當成是反應原料，最后進到整體的技術里面，在設置里面完成這樣的工作。
現(xiàn)在這項技術，因為已經(jīng)開發(fā)到后期了，最近大約已經(jīng)申請了20多項專利，其中有5項已經(jīng)授權，還有幾項現(xiàn)在正在審批當中。根據(jù)給中國科學院報的相關考核指標，綜合光電的效率要45，投資大約每千瓦4到6塊錢，度電成本是0.1到0.15，占地大概每千瓦是3到4平米，占地是晶硅的三分之一到四分之一。
整個系統(tǒng)后面有一個合作方，因為氫氣我們只負責制，制之后儲和運由兄弟單位 他們的成熟技術解決后續(xù)的儲和運工作?，F(xiàn)在看這項技術未來應用的領域應該比較廣，很可能最先推進的是北方地區(qū)熱電廠的整體改造，這是大的板塊，再一個是純粹的制氫和發(fā)電。另外今天上午還有投資方在跟我對接，他們非常愿意做撬裝式的任務是野外、野戰(zhàn)等等沒有任何能源條件的地區(qū)實現(xiàn)這樣的工作。
最后再從整個的模式上，因為現(xiàn)在這項技術和現(xiàn)有的新能源技術有很大的差別，因此在技術架構上和合作模式上都和現(xiàn)在的新能源技術有很大的區(qū)別，我們認為技術里面最核心的關鍵材料，甚至是可以類比成英特爾的芯片是在中國人自己手里，因此整個架構并不是一個拿來的事情，而是自己開創(chuàng)推廣的事情，所以模式是不同的。
首先突破了關鍵材料，這是最核心的問題。其次在整個體系當中，真正做到的是從太陽光照射到地球光的強度來算，到最后達到45以上的光電轉換效率，這個和現(xiàn)在的新能源數(shù)據(jù)、差距是巨大的，而且數(shù)據(jù)下一步的目標是60%。
在整個技術里面，實際上原有物理的光電轉換以及化學、化工的光反應器的技術，化學物理結合在一起的一套技術，這是全球沒有結合的思路。還有在技術方面利用我們的優(yōu)勢，因為現(xiàn)在已經(jīng)從材料拓展到了紫外和可見光的全光域進行光電轉換，在這些技術當中，之所以現(xiàn)在信息很足，包括三年前還在開如何打造世界鍶都的會，原因就是因為中國的鍶資源占全球的57%，因此我們完全有理由和有信心把這樣一項技術開發(fā)成中國獨有，而且能夠向世界去推廣和宣傳的新能源技術。
未來如果放在西部地區(qū)應該是這樣的場景，大量的反光鏡，由于效率非常高，反光鏡的光高倍聚焦聚在了光反應器里，光反應器未來的目標是黑洞，來的光盡可能留在里面，完成它的光電轉換，未來整體的光電轉換效率目標是60%以上。另外這項技術在開發(fā)過程中注意到的優(yōu)勢，現(xiàn)在還很少有一項技術是能夠自己具備儲能和轉換的功能，都是需要外配套的，我們這項技術是自備儲能、自備轉換的技術，所以我們叫制氫和發(fā)電可以互相切換，互為儲能，在整個的系統(tǒng)當中，光反應器是核心，光反應器更像重慶的火鍋，在同一套裝置上可以同時完成兩件事，這也是現(xiàn)在全球沒有在一套裝置上實現(xiàn)兩件事的技術。
最后可以分享兩組數(shù)據(jù)，一個是現(xiàn)在全國正在對接和建設幾個裝備制造基地，按照未來成套裝備的發(fā)電能力，比方說10兆瓦、50兆瓦、100兆瓦等等，每個基地按照2個GW的年制造能力來看，固定資產(chǎn)投資大約2個億，土地還有1個億，占地大約有一百到兩百畝夠了，剩下就是毛利率，應該是比較高了，大約50%左右，投資回收期也很短，大約兩年左右。
單獨看到一套設備的時候，比如10兆瓦和50兆瓦，可以對應看到相應的參數(shù)，比如發(fā)電量是可以測算出來的，度電的成本同樣也能測算出來，另外同時還能產(chǎn)生氫氣，制氫現(xiàn)在也是國內(nèi)很熱或者急需的一項技術，只不過我們是光解水制氫，而不是電解水制氫。
時間問題，就把技術向大家分享到這里，感謝大會。
責任編輯： 張磊
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