Hydrogen From Renewable Energy

編者按：2021年7月8日，以"碳中和與未來(lái)能源"為主題的"第三屆未來(lái)能源大會(huì )"在北京召開(kāi)，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。

以下內容根據論壇演講實(shí)錄進(jìn)行整理。

Mauro Pasta：感謝主辦方的邀請，很榮幸能夠有機會(huì )，在第三屆未來(lái)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在正在進(jìn)行的一些工作，即可再生能源制氫，尤其是開(kāi)發(fā)更好的水分解反應電催化劑。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告，這是對全世界的警醒。如果世界需要警醒的話(huà)，本報告的一個(gè)關(guān)鍵結論是從這個(gè)角度強調的，氣候變化的凈損害成本可能十分巨大，并隨著(zhù)時(shí)間的推移而增加，已經(jīng)沒(méi)有時(shí)間空談了，現在是時(shí)候采取行動(dòng)了。氣候變化和全球變暖沒(méi)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)現碳中和，英國是第一個(gè)通過(guò)凈零排放法的主要經(jīng)濟體，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(shū)中摘錄，有一些英國政府關(guān)于此項目的建議，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，我不涉及太多細節。我想強調的一點(diǎn)是電化學(xué)儲能在實(shí)現這一目標中的重要性。所以從最上面開(kāi)始發(fā)電，如果我們想實(shí)現這個(gè)宏偉的目標，我們需要在很大程度上使電力脫碳，這意味著(zhù)越來(lái)越多地引入和使用可再生能源。問(wèn)題是可再生能源具有間歇性，很遺憾，陽(yáng)光并不總是充足的，風(fēng)力并不總是強勁的，因此我們需要能量?jì)Υ鎭?lái)穩定輸出功率并同時(shí)穩定電網(wǎng)。電化學(xué)儲能必將在實(shí)現這一目標中發(fā)揮作用。

我們再看看公路運輸，我們需要做得是擴大電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)，大家都知道，電動(dòng)汽車(chē)的核心是鋰電池，一種典型的電化學(xué)儲能裝置，通過(guò)使用電力驅動(dòng)飛行，電池也有助于減少航空排放，這項技術(shù)的核心，即包括電化學(xué)儲能和轉換的，是氫經(jīng)濟。但我會(huì )在稍后的演講中再介紹氫，因為這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)現這些宏偉的目標作出貢獻。通過(guò)開(kāi)發(fā)更好的材料來(lái)改良當前的電化學(xué)儲能和轉換裝置，特別是我們正在進(jìn)行很多工作以發(fā)展未來(lái)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(yáng)極，包括液體和固體電解質(zhì)結構兩種，我們正在研究轉換陰極，特別是過(guò)渡金屬氟化物。我們也在研究無(wú)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，我們認為尤其是鉀，可以在幫助可再生能源轉型和整合方面發(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。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，加強現有的伙伴關(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，為我們的基礎研究項目助力，推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步并將其進(jìn)一步推向市場(chǎng)，OSCAR的愿景是幫助開(kāi)發(fā)解決方案，以協(xié)助應對重要挑戰。這不只是為了英中兩國，也是為了全世界，其中一個(gè)挑戰是，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(lái)自這些工業(yè)部門(mén)，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(shuō)是整個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。

然而，你們看右邊，這些數據來(lái)自國際可再生能源機構，于2018年發(fā)表的一份報告 遺憾的是，總產(chǎn)氫量中只有4%來(lái)自電解，這是來(lái)自可再生能源的，而目前絕大部分氫來(lái)自不可再生能源，主要是來(lái)自天然氣的蒸汽重組，我們轉換電能的裝置，最理想的是從可再生能源轉化為化學(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(guò)使用隔膜達到堿性條件，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(guò)隔膜遷移的限制，一項很有前景的技術(shù)是質(zhì)子交換膜電解技術(shù)，也稱(chēng)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。這種技術(shù)的缺點(diǎn)是對貴金屬電催化劑的需求，但是可以達到更高的電流密度，因此，快速反應使其成為實(shí)施并利用?？稍偕茉吹拈g歇性地理想選擇，現在從y軸上看，可以看到超電勢，這是我們需要給我們系統的多余能量，以助其完成反應10毫安c㎡的電流密度時(shí)長(cháng)是2小時(shí)，左側是析氫反應(HER)，右側是析氧反應(OER)，這一數據來(lái)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與析氧反應相比，具有較低的超電勢，這是由于析氧反應的內在機制。產(chǎn)生每毫升氧氣需要四個(gè)電子，而與之相對的析氫反應只需要兩個(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的鉑，而在析氧反應方面，基于釕和銥的電催化劑是唯一，在操作現實(shí)的超電勢當中實(shí)際可行的，我們快速看看這個(gè)簡(jiǎn)短的成本明細，數據摘錄自2020年國際可再生能源機構發(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(chǎng)配套設施，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(kāi)支，而45%的成本實(shí)際上來(lái)自堆棧，在堆棧中，24%的成本來(lái)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(lái)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(zhù)我們擴大系統的規模，堆棧中帶來(lái)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(lái)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)現這些設備的規?；?，我們需要優(yōu)化它們的裝載，實(shí)現這一目標的途徑之一是采用單原子電催化劑，傳統的電催化劑是基于納米顆粒，受支撐，通常是碳基導電支撐物，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，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。

因此，納米顆粒中的絕大多數原子，在催化反應中是無(wú)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(méi)有不活潑的催化劑，因為我們只有活躍的表面，其巨大的優(yōu)勢還在于在原子尺度上，有非常有趣的量子尺寸效應，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(wèn)題之一，是它們的合成，可以說(shuō)許多用于合成單原子的方法，還沒(méi)有那么好的可擴展性，這是我們OSCAR和牛津大學(xué)現行研究的很大一部分內容。 

同時(shí)，加深對單原子和基質(zhì)之間，相互作用的理解，也是絕對必要的。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，它們傾向于結合，特別是在操作過(guò)程中，所以更深入地理解單原子和基質(zhì)之間的相互作用，提出穩定單個(gè)原子的策略。并把它們重新置于基質(zhì)上，是絕對必要的。這樣我們才能提高效率并大規模實(shí)施，為了實(shí)現這些目標，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(xiàn)吸收光譜，由英國鉆石光源研究所收集，這項技術(shù)使我們能夠研究電催化劑的結構，在本例中，也就是鉑的結構，以及它如何在一個(gè)參數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。

還有一項工作，我相信也是獨一無(wú)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(kāi)發(fā)過(guò)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，使其有效且可大規模實(shí)施，我們的電化學(xué)儲能實(shí)驗室創(chuàng )建于2020年，現在已全面運轉，擁有一支由科學(xué)家和技術(shù)人員組成的核心團隊，和我一起從事于這些領(lǐng)域，但我們仍在招賢納士，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。讓我有機會(huì )在第三屆未來(lái)能源大會(huì )上發(fā)言，期待很快能夠在中國見(jiàn)到大家，謝謝大家！