中國科學院過程工程研究所

1.項目背景

目前人類面臨著能源危機和環(huán)境污染等諸多問題，我國未來 15 年中，重要大宗礦產(chǎn)資源消費將在 2025 年前陸續(xù)到達峰值，一次能源消費將在 2030 年前后到達拐點，戰(zhàn)略性關鍵礦產(chǎn)資源消費將迎來快速增長期，2035 年中國作為全球能源和重要礦產(chǎn)資源第一消費大國、生產(chǎn)大國和貿(mào)易大國的地位和態(tài)勢將難以改變，需積極應對各種可能的挑戰(zhàn)，采用可再生能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源是解決這些問題的必要途徑和發(fā)展趨勢。

目前太陽能電池中的光電材料普遍使用的是硅材料，晶硅電池的光電能量轉(zhuǎn)換效率較高，但它的制造成本也高，而且在制作過程中需要消耗大量化石能源、產(chǎn)生污染環(huán)境的化學物質(zhì)，于是發(fā)展新一代低成本太陽能電池成為了新的目標。經(jīng)過幾十年發(fā)展，太陽能電池歷經(jīng)了三代，分別是晶硅、薄膜、新型太陽能電池，鈣鈦礦電池是第三代太陽能電池的代表。鈣鈦礦是一種分子通式為ABX3的晶體材料，呈六面體或八面體形狀，光電轉(zhuǎn)換效率高，在光伏、LED等領域應用廣泛。鈦酸鍶（SrTiO?）作為一種典型鈣鈦礦型半導體材料，廣泛應用于精密電子、介電材料、先進陶瓷，以及光催化功能材料行業(yè)。

鈦酸鍶是一種化學穩(wěn)定性優(yōu)異的金屬氧化物，熔點為2060℃，相對密度5.13，折射率為2.409。鈦酸鍶晶體中O-2p軌道和Ti-3d軌道雜化導致生成顯著的共價鍵，Sr2+和O2-離子擁有離子鍵的性質(zhì)，因此，鈦酸鍶具有離子共價鍵的性質(zhì)，這就導致了其結構的獨特性，決定了該物質(zhì)具有很好的電子材料的性能。鈦酸鍶拓撲分子極性表面積63.2，單晶鈦酸鍶基底晶格與大多數(shù)鈣鈦礦結構材料都有良好的晶格匹配性，它是很多氧化物薄膜和高溫超導體外延生長的良好基底。

2.項目摘要

項目在全球首次研發(fā)成功了形貌可控、光電轉(zhuǎn)換效率超過45%的納米二十六面體鈦酸鍶晶體和二十六面體中空籠狀鈦酸鍶晶體的基礎上，創(chuàng)新研發(fā)了流程簡單、能耗低、成本低、易放大且可以發(fā)電與制氫一體化的多面體鈦酸鍶聚光發(fā)電與催化制氫一體化成套技術與裝備，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換效率45%和析氫速率6mmol/h，達到STH值為1.15%。

3.團隊優(yōu)勢

中科院過程工程研究所段東平科研團隊在鈦酸鍶光電材料合成與光電轉(zhuǎn)換機理上做出了領先業(yè)績，在全球首次研發(fā)成功了形貌可控、光電轉(zhuǎn)換效率超過45%的納米二十六面體鈦酸鍶晶體和二十六面體中空籠狀鈦酸鍶晶體，并且在二十六面體鈦酸鍶光電轉(zhuǎn)換上形成了指標領先、成本領先、與國內(nèi)制造能力匹配的成套制備技術方案。二十六面體鈦酸鍶具備的熔點高、晶面多、紫外光利用率高、光電轉(zhuǎn)換率高等優(yōu)勢特征，在光伏發(fā)電和氫能技術的發(fā)展上將展示出獨特優(yōu)勢，具有顯著的能源、環(huán)保和經(jīng)濟效益，是最優(yōu)質(zhì)的綠色能源光電材料，因此亟需大力開發(fā)鈦酸鍶在光伏發(fā)電和氫能技術上的潛能，將是根本上解決氣候問題、霧霾以及酸雨等環(huán)境問題的有效手段。

4.項目主要建設內(nèi)容

建設0.2 MW級多面體鈦酸鍶聚光發(fā)電與催化制氫一體化技術中試線；

建設首條10 MW級多面體鈦酸鍶聚光發(fā)電與催化制氫一體化技術示范線；

建設熱電廠升級改造太陽能聚光發(fā)電、氫源熱力示范基地，形成自主品牌。

5.項目預期可達到的市場價值

本項目2026年底實現(xiàn)批量制造百兆瓦級發(fā)電與制氫一體化成套裝備的能力，實現(xiàn)年產(chǎn)值5億元；

2030年底實現(xiàn)全國多面體鈦酸鍶聚光發(fā)電與催化制氫一體化技術總產(chǎn)值100億元。

6.社會效益

1）有利于地方經(jīng)濟發(fā)展和創(chuàng)新基地建設

該項目建成后，將是全球首條0.2 MW級多面體鈦酸鍶聚光發(fā)電與催化制氫一體化示范線以及與熱電廠升級改造光伏發(fā)電示范基地，將會在短期內(nèi)形成具有競爭實力的自主品牌，既可迅速在全國各地的太陽能發(fā)電、綠氫制備、煤電廠、熱電廠復制，又可推廣至我國西部的太陽能豐富地區(qū)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的升級換代。依靠該項目的關鍵技術、核心技術實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模化后，可以打造一個新型新能源技術的產(chǎn)業(yè)模式，在初創(chuàng)公司注冊地形成輻射全國乃至全球的成套裝備制造企業(yè)基地和服務各地需求的發(fā)電與制氫技術解決整體方案運營集團，預計在5年后將形成百億級的產(chǎn)值與估值，在同類市場中起到引領作用。

2）有利于推動“雙碳”目標下熱電產(chǎn)業(yè)平穩(wěn)升級

在熱電、煤電產(chǎn)業(yè)升級改造發(fā)展方面，要貫徹落實《中共中央 國務院關于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》的精神和國務院《2030年前碳達峰行動方案》（國發(fā)〔2021〕23號文）的要求，推進經(jīng)濟社會發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型，加快構建清潔低碳安全高效能源體系，對電力產(chǎn)業(yè)結構進行深度調(diào)整。為實現(xiàn)碳中和，傳統(tǒng)的熱電、煤電大規(guī)模退出歷史舞臺具有必然性，本項目的實施可直接利用現(xiàn)有煤電廠、熱電廠的硬件設施、發(fā)電并網(wǎng)、供熱輸送，有利于完成熱電、煤電產(chǎn)業(yè)平穩(wěn)升級，解決原有勞動人員的再就業(yè)難題，為社會提供更多就業(yè)崗位。

3）有利于統(tǒng)籌平衡經(jīng)濟發(fā)展與能源轉(zhuǎn)型

在國際國內(nèi)“雙碳”目標下，相比產(chǎn)業(yè)重組退出和節(jié)能減排等防御性和適應性反應，光伏發(fā)電和氫能技術等綠色技術創(chuàng)新是進取性反應，更能統(tǒng)籌平衡經(jīng)濟發(fā)展與能源轉(zhuǎn)型兩大目標。綠色技術創(chuàng)新往往能帶來減碳目標之外的消費者剩余、能夠降低綠色產(chǎn)品溢價、縮小應對氣候變化成本，綠色技術創(chuàng)新可以和數(shù)字經(jīng)濟緊密結合，帶動傳統(tǒng)行業(yè)的數(shù)字化進程，并在當?shù)匦纬尚碌漠a(chǎn)業(yè)集群。

4）有利于建設“國際鍶研究高地”和“鍶高端產(chǎn)業(yè)策源地”

段東平科研團隊研發(fā)的鍶元素的增強效應、光電效應、親骨效應和同位素效應正在逐步展現(xiàn)出巨大的科學價值和產(chǎn)品價值，如果把研發(fā)團隊直接引入到本地，具備吸引人才和培養(yǎng)高端人才的能力，將引領全國鍶高端產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新升級、增加本地鍶產(chǎn)業(yè)發(fā)展寬度和深度、提升本地高密度創(chuàng)新實力，5年后高值化產(chǎn)業(yè)集群將為本地創(chuàng)造100億元以上的經(jīng)濟效益。