2019-06-11  来源：科(kē)技(jì )日报

　　近日，中(zhōng)國(guó)科(kē)學(xué)院固體(tǐ)物(wù)理(lǐ)研究所李越研究员课题组，运用(yòng)简单的两步水热法，组装(zhuāng)成具(jù)有(yǒu)分(fēn)级结构的异质(zhì)全解水催化剂。这种纳米催化剂具(jù)有(yǒu)优异的全解水活性，在较低的電(diàn)压和電(diàn)流下持续工(gōng)作(zuò)100小(xiǎo)时，没有(yǒu)明显的衰减，证明其稳定性非常好，為(wèi)开发低成本、高活性的双功能(néng)電(diàn)解水催化剂提供了有(yǒu)效的设计思路。
　　氢能(néng)经济是20世纪70年代提出的可(kě)持续能(néng)源方案，以用(yòng)之不竭的太阳光驱动，把水分(fēn)解為(wèi)氢气和氧气。而氢是一种清洁能(néng)源，燃烧生成水，不会产(chǎn)生任何污染物(wù)。
　　“能(néng)否用(yòng)水制氢来开汽車(chē)”备受关注
　　化石能(néng)源制氢、工(gōng)业副产(chǎn)氢、電(diàn)解水制氢，是当前主流的三大制氢路線(xiàn)。“制氢的方法有(yǒu)很(hěn)多(duō)种，除了上述三大技(jì )术路線(xiàn)，还有(yǒu)活泼金属与水反应、重整甲醇制氢等，关键要看经济性。”近日，中(zhōng)國(guó)科(kē)學(xué)技(jì )术大學(xué)化學(xué)与材料學(xué)院孟广耀教授告诉科(kē)技(jì )日报记者。
　　我國(guó)作(zuò)為(wèi)世界第一产(chǎn)氢大國(guó)，年产(chǎn)能(néng)超过2000万吨。煤、天然气、石油等化石燃料生产(chǎn)的氢气占了将近70%，工(gōng)业副产(chǎn)气體(tǐ)制的氢约占30%，電(diàn)解水占不到1%。
　　人们更多(duō)关注的是“能(néng)否用(yòng)水制氢来开汽車(chē)”。除去前段时间网上谈论的铝粉还原制氢外，近年来，重整甲醇制氢逐渐进入人们的视野。
　　“这相当于把制氢的过程从工(gōng)厂移到了汽車(chē)上。”孟广耀告诉记者。他(tā)介绍，甲醇和水的蒸气进入重整室通过高温（约250℃）反应后，最终产(chǎn)物(wù)是二氧化碳和氢气，成分(fēn)比例1∶3，但氢气中(zhōng)会掺杂着微量的一氧化碳。经过气體(tǐ)提纯后，高纯度的氢气进入燃料電(diàn)池系统中(zhōng)，一氧化碳经过氧化后与二氧化碳一同排到大气中(zhōng)。氢气进入燃料電(diàn)池系统后，后续过程与普通的燃料電(diàn)池汽車(chē)无异。
　　相比建设和运营加氢站网络，甲醇重整仅需要在加油站的基础上增加甲醇水加注功能(néng)，设备更换成本低，操作(zuò)方便，似乎更易让人接受。但是，甲醇重整过程得到的氢气包含一氧化碳等有(yǒu)毒气體(tǐ)，需要提纯并降温（从超过200℃降到约80℃），这就要投入额外的设备。
　　“要应用(yòng)到小(xiǎo)轿車(chē)上，在装(zhuāng)置體(tǐ)积受限的情况下，输出的功率是不够的。另外，一氧化碳还是强氧化剂，极易使氢燃料電(diàn)池中(zhōng)的催化剂‘中(zhōng)毒休克’，从而减少燃料電(diàn)池堆的使用(yòng)寿命。”孟广耀说，甲醇重整燃料電(diàn)池汽車(chē)在带来使用(yòng)便利的同时，却重新(xīn)带来了碳排放和尾气问题，这似乎违背了使用(yòng)氢能(néng)源的初衷。
　　新(xīn)技(jì )术不断涌现，实际应用(yòng)尚需时日
　　“氢能(néng)时代”的大门半掩半闭，难以走进人们的生活。对此，科(kē)學(xué)家从未停止过努力，近年来我國(guó)科(kē)研人员的成果尤為(wèi)抢眼。
　　除去成本因素外，一个重要原因是氢气的收集和存储上的诸多(duō)技(jì )术瓶颈。对此，中(zhōng)國(guó)科(kē)學(xué)技(jì )术大學(xué)罗毅教授领导的研究小(xiǎo)组于2017年7月提出了首个光解水制氢储氢一體(tǐ)化的材料體(tǐ)系设计，相关成果刊登在《自然·通讯》杂志(zhì)上。
　　水解制氢的另一技(jì )术障碍在于催化剂的昂贵和低效。2019年4月，《自然·催化》杂志(zhì)以封面文(wén)章的形式，报道了中(zhōng)國(guó)科(kē)學(xué)技(jì )术大學(xué)吴宇恩教授课题组运用(yòng)创新(xīn)工(gōng)艺，研制出一种廉价、高效的新(xīn)型钌单原子合金催化剂。相比市场上的商(shāng)业钌基催化剂，这种新(xīn)型催化剂的过電(diàn)位降低了大约30%，稳定性提高了近10倍，為(wèi)推进“電(diàn)解水制氢”的工(gōng)业化应用(yòng)迈出重要一步。
　　2019年5月，浙江大學(xué)侯阳研究员团队设计并开发出一种廉价新(xīn)型催化剂，可(kě)模拟光合作(zuò)用(yòng)，将水裂解制备出氢气。这种催化剂可(kě)将制备成本降低80%以上，将驱动反应的能(néng)量降低5%，具(jù)备工(gōng)业级電(diàn)解水制氢的潜能(néng)。这项成果也发表于《自然·通讯》杂志(zhì)。
　　“清华大學(xué)、上海交大、大连化物(wù)所等单位此类世界级的成果也有(yǒu)不少，使得氢能(néng)的高效低成本应用(yòng)路径更加明晰起来。”孟广耀表示，这些实验室的成果还需经历技(jì )术成熟检验、工(gōng)程化开发，更需要规模应用(yòng)场景、产(chǎn)业链和相关政策的配套，实际应用(yòng)尚需时日。