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(lái)能源大會(huì )舉辦氫能技術(shù)與應用發(fā)展專(zhuān)題論壇，聚焦于氫能領(lǐng)域的前沿技術(shù)和應用發(fā)展。本次論壇由中國能源研究會(huì )氫能專(zhuān)業(yè)委員會(huì )秘書(shū)長(cháng)徐文輝主持，與會(huì )專(zhuān)家學(xué)者從氫能技術(shù)的標準、前沿技術(shù)研究和應用案例等幾個(gè)方面，對氫能產(chǎn)業(yè)以及未來(lái)能源的可持續發(fā)展展開(kāi)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。

以下內容根據論壇演講實(shí)錄進(jìn)行整理。

段東平：剛才說(shuō)人沒(méi)有氧活不了，沒(méi)有氫活不好，我再加兩句，沒(méi)有水，生不下來(lái)，沒(méi)有陽(yáng)光活不下去。就是想提前給我的演講命題做個(gè)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(jué)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，當然全世界也沒(méi)有類(lèi)似的生產(chǎn)線(xiàn)和產(chǎn)品。

今天提這個(gè)概念，我想在常州具備這樣的氛圍。光和水之間其實(shí)就是在地球上我們人類(lèi)生存的最基本的兩個(gè)條件，這兩個(gè)生存條件其實(shí)也是我們人類(lèi)最廉價(jià)的兩個(gè)資源。水，幾乎是沒(méi)有成本的，而且可以肯定的是太陽(yáng)光是沒(méi)有成本的，所以用沒(méi)有成本的原料去制備我們所需要的氫和氧，才是最廉價(jià)的，因此我們提出一個(gè)概念，什么叫綠呢?待會(huì )在報告里面會(huì )有相關(guān)的內容，全球對氫氣的定義也有明確的定義，比如灰氫、藍氫、綠氫，綠氫的要求是什么?排碳最少?，F在排碳最少的是電解水制氫，因此大家統統把電解水制氫稱(chēng)作了綠氫，接下來(lái)我把我的內容給各位做一個(gè)分享。

內容分四部分，重點(diǎn)是在推薦我們前天在常州未來(lái)新能源大賽剛剛獲得一等獎的我的一個(gè)技術(shù)。2019年建國70周年的時(shí)候，中國科學(xué)院學(xué)部給中央提交了一個(gè)報告，報告里面有很多內容，我選了兩個(gè)圖，出現了兩條S型的線(xiàn)，這個(gè)S型的線(xiàn)在全球是通用的，資源開(kāi)發(fā)的力度和能源消耗量幾乎是一致的，因此它說(shuō)明了一個(gè)問(wèn)題，人均GDP事實(shí)上也跟這個(gè)S型的曲線(xiàn)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(xiàn)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、政策陸續出臺，這個(gè)時(shí)候我們國內各行各業(yè)都開(kāi)始關(guān)注這個(gè)事情。其中有一個(gè)非常重要的概念，就是氫究竟是用來(lái)干什么的?，F在在現有的能源體系下，氫更多的是被看作是一種儲能的方式。但是我個(gè)人非常傾向這樣一個(gè)觀(guān)點(diǎn)，氫是未來(lái)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(gè)能源形式來(lái)看待的。

氫之所以獨特，不光是從環(huán)保性上，人們通常認為的對工業(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(gè)階段性的目標，因此在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)上我們國家也制訂了相應的政策，

從國家明確出臺政策之后，我們國內首先是央企旗幟鮮明的站出來(lái)要發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，類(lèi)似中石油、中石化這樣的大型國企紛紛站出來(lái)。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(wàn)噸，其中3400多萬(wàn)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。

從現在對氫的用途來(lái)看，是紛紛出現的小企業(yè)以及應用研發(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、綠氫還是藍氫，它有體量放在那里，現在是三千多萬(wàn)噸，大約在2035年左右要達到5億噸的數量，以大規模生產(chǎn)為主，因此應用端的需求是層出不窮的，而且是細分的。從氫的結構來(lái)看，現在電解水制氫只是很小的一個(gè)比例，而且也只是把電解水當做綠氫來(lái)看待。

技術(shù)路線(xiàn)，首先看右側這個(gè)圖，灰氫是多碳，藍氫是少碳，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，電解水制氫現在有三種技術(shù)路線(xiàn)。電解現在更多的是要用新能源的電來(lái)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(lái)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(shí)是比較復雜的，每個(gè)工藝環(huán)節都有設備的投入、有材料的選擇、有原材料的消耗等等，工藝路徑越長(cháng)，它的設備投資、造價(jià)都會(huì )越高，因此它和零碳排放的距離其實(shí)就越遠。光解水制氫的技術(shù)路線(xiàn)的核心問(wèn)題不在路線(xiàn)上，而在靠什么來(lái)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(lái)一定是最低的，只有通過(guò)光解的技術(shù)路線(xiàn)未來(lái)才能真正實(shí)現綠氫。實(shí)現綠氫不代表在短期內綠氫就能占主導地位，畢竟產(chǎn)量還是很重要的問(wèn)題。

真正的光解水制氫從技術(shù)路線(xiàn)上講很明確的，最簡(jiǎn)單也是最便宜的水分解方法。但是越簡(jiǎn)單的事情實(shí)現起來(lái)越困難，所以它明確的強調了水分解過(guò)程效率很低，需要額外的能量來(lái)分離氫和氧氣，光穩定的狀態(tài)是一個(gè)限定的環(huán)境，如何實(shí)現具有挑戰性，這是現在我們對光解水制氫技術(shù)路線(xiàn)的認識，它的難度其實(shí)是巨大的。

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

重點(diǎn)的是在工業(yè)界要考察它的成本，對用戶(hù)來(lái)說(shuō)并不關(guān)心究竟排碳對用戶(hù)的影響是多大，而是關(guān)心它的成本?，F在我們說(shuō)用光解水來(lái)制氫，現在預測的成本基本上是人民幣8到10塊錢(qián)/公斤。如果用電解水的方式來(lái)完成，現在的成本根據電價(jià)的不同大約是16到40塊錢(qián)/公斤。給大家介紹一個(gè)數據，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(jià)，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(shí)只有30%，55度對18度這樣一個(gè)比例。

因此我們集中在如何來(lái)解決光解水制氫核心的技術(shù)，就是催化劑這個(gè)材料。我們的團隊也提出了這樣一個(gè)目標，用最短路徑把太陽(yáng)能轉換成電能，并可以同時(shí)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(gè)研究發(fā)現，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號在國內翻譯成中文之后進(jìn)行了轉載和述評。這篇西湖大學(xué)的論文介紹的一個(gè)情況，他們的研究團隊采用激光束激發(fā)的方式，對很多種半導體材料以及金屬材料進(jìn)行了激發(fā)，去測試這些半導體材料的光電轉換性能，得出了截至目前他們所使用的所有半導體材料只有一種材料在激光激發(fā)之后表面出現了“光陰極”。不知道各位是否理解什么是“光陰極”。我們目前的導電材料之所以能導電，是因為金屬材料里面有自由流動(dòng)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(gè)光陰極和我們在導電金屬材料里面所描述的電子云基本上是一類(lèi)現象，只不過(guò)這是半導體材料，而且是目前全球首次發(fā)現在半導體材料可以出現“光陰極”，也就證明這個(gè)材料具備非常好的激發(fā)電子的能力，就是用光來(lái)激發(fā)電子的能力。這個(gè)材料就是鈦酸鍶，在西湖大學(xué)的試驗當中用的是六面體材料。

今年4月份西湖大學(xué)的現任校長(cháng)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(huì )上，介紹西湖大學(xué)成立以來(lái)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(shuō)這是西湖大學(xué)目前對科學(xué)界最重要的一項貢獻。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)預測到了這件事情，只不過(guò)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(kāi)始在做這個(gè)工作。

鈦酸鍶現在市場(chǎng)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)穩定性也非常好。我們的研究從2012年5月份開(kāi)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(gè)研究過(guò)程中已經(jīng)完全可控的實(shí)現規則六面體的制備，我們材料的均勻性非常好，右邊是產(chǎn)品的顯微照片，規則性非常好?，F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(gè)六面體材料，對他的光電轉換性能進(jìn)行了研究和測試，當時(shí)日本的研究結果是這樣的，在紫外光的區域，比如說(shuō)350納米、360納米、365納米光的區域，光電轉換效率高達96%左右，非常之高。如果有一萬(wàn)個(gè)光子，當然是指的這個(gè)納米波段的光子，撞擊到六面體鈦酸鍶表面，就會(huì )有9570或者9600個(gè)光子轉化成電子，激發(fā)出來(lái)了的電子，這是日本在前幾年公布的研究結果。

而事實(shí)上，我們從化工材料合成的角度，更多的關(guān)注到另外一個(gè)問(wèn)題，僅有紫外光是不能代表我們對太陽(yáng)能的利用的。另外，材料本身其實(shí)是多種形態(tài)和多種結構的，因此我們在隨后的研究當中，陸續的制備出來(lái)了很多種不同材料。剛才的六面體材料六個(gè)面分別用晶體的定義來(lái)看叫100面，我們合成出來(lái)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(lái)了這兩種多面體材料的中空結構的材料，這樣就使得這個(gè)材料能夠更好激發(fā)光電轉換能力的晶面更多的暴露。比如說(shuō)中空材料，由于中空，所以它的面甚至可以達到四十面以上，這樣的材料最終我們把它拓展成了現在的格局，從最早的六面體一直拓展到了各種鈦酸鍶的復合材料，這個(gè)過(guò)程中我們拓展了響應的光域范圍，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果，簡(jiǎn)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(shuō)，我們在光電轉化和光催化上面重點(diǎn)要利用的是二十六面體，二十六面體很重要的就能夠實(shí)現我們說(shuō)的光電轉換的高效率。對于中空的二十六面體材料來(lái)說(shuō)，它的光電轉換能力就更強。為什么叫更強呢?我們的光激發(fā)到某一個(gè)晶面上的時(shí)候，它可以穿透，也可以反射，如果說(shuō)激發(fā)出來(lái)了90%幾，事實(shí)上它穿透進(jìn)入晶體之后激發(fā)了里面的電子，反射就沒(méi)有起到太大的作用。但是如果是中空結構的材料，光進(jìn)去之后會(huì )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(huì )大幅度提高，因此和我們常規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(shí)上我們根本就不是一個(gè)概念，我們讓光在里面，期望它永久的停留下來(lái)。待會(huì )會(huì )介紹我們現在成套的技術(shù)里面，未來(lái)的目標是實(shí)現黑洞，就是我們的光反應最終實(shí)現黑洞，這當然是極高的研究目標，也是一個(gè)極限的指標。

最重要把光電轉換出現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出來(lái)，我們因此又制備了各類(lèi)的光電轉換的復合材料，最后完成了這項工作。

繞到我們今天的主題，我們今天其實(shí)是在說(shuō)氫，而我們這項技術(shù)其實(shí)是電和氫同時(shí)在做。至于說(shuō)光解水制氫這個(gè)問(wèn)題，最早是1967年日本的藤島昭教授發(fā)現了這個(gè)現象，之后很多的催化劑用于光解水技術(shù)，只不過(guò)一直沒(méi)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(gè)柱，第一個(gè)黑色的柱上面寫(xiě)的11.1%，是我們采購市場(chǎng)上正在銷(xiāo)售的六面體鈦酸鍶的商用產(chǎn)品進(jìn)行測試，它的光電轉換效率只有11%。我們的實(shí)驗室非常精準調控的六面體材料它的光電轉換效率理論值是13.7%，是同一個(gè)數量級，因此很少有人認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，所以沒(méi)有人認為。

第三個(gè)柱，二十六面體也好還是十八面體也好我們出現了一個(gè)110晶面，這個(gè)晶面的光電轉換效率可以達到36.8%，這個(gè)數據就很可觀(guān)了。

圖片上特定標了一個(gè)111，111晶面的光電轉換效率可以高達46.9%，正是因為這樣的數據采使得這個(gè)材料的光電轉換能力遠遠超過(guò)了現在所有的催化材料。西湖大學(xué)用激光去激發(fā)的這個(gè)半導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(gè)團隊的負責人何瑞華教授，了解清楚了他的確是用的這個(gè)東西，因為他從來(lái)也不知道還有我們一研發(fā)出來(lái)的多面體材料。

就用這樣的材料，我們來(lái)做幾個(gè)對比。假設按照垂直方向，法相太陽(yáng)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，我們所設計的系統做了幾件事情，第一步是進(jìn)行反射，把太陽(yáng)光反射進(jìn)來(lái)，反射用反光鏡，類(lèi)似我們常規的鏡子，因為它價(jià)格也很便宜，我們經(jīng)過(guò)兩次反射，一次反射效率大約97、98%，兩次反射效率乘下來(lái)大約92%左右，我們折算了一下取了個(gè)低值，91%。然后再進(jìn)入我們的光反應器，我們的光反應器的吸收率我們目前把它設定在60%，我們未來(lái)的目標是黑洞，也就是這個(gè)60%未來(lái)的目標逼近100%，是指的60%那個(gè)地方的柱逼近100%。

第三個(gè)，進(jìn)到光反應器之后，光電轉換效率目前我們按照90%來(lái)測算，不是大家理解的光電轉換，因為我們要把它在里面反復的進(jìn)行回旋，所以要達到90%的光電轉換效率，這樣測算下來(lái)光電轉換率就49%，最后在輸出端還有一個(gè)工效問(wèn)題，按92%來(lái)測算，最終按照現在設定的指標，光電效率45%。

我們整個(gè)系統的設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，現在我們整個(gè)系統在多面體鈦酸鍶進(jìn)行高倍聚光，實(shí)現聚光下的光伏發(fā)電，以及同時(shí)實(shí)現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(shí)驗室里面幾年前就已經(jīng)陸續完成。我們通常認為太陽(yáng)光照到地面上就是太陽(yáng)光，事實(shí)上當你把太陽(yáng)光的倍數進(jìn)行增強之后，會(huì )有意向不到的奇跡出現。我們正在建的示范線(xiàn)目標是2000倍的聚光。右邊這個(gè)圖就是我們現在正在建的示范線(xiàn)的模擬圖，左邊的圖就是我們在實(shí)驗室通過(guò)20倍的聚光，在產(chǎn)氫的過(guò)程中。當時(shí)參觀(guān)者很奇怪，說(shuō)里面是不是已經(jīng)出現高溫，因為它里面氣泡像開(kāi)鍋了一樣，把手伸上去的時(shí)候發(fā)現溫度只有三四十度，事實(shí)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(jiǎn)單說(shuō)一下。我們這項技術(shù)已經(jīng)持續十多年了，現在有大批的專(zhuān)利在做保護，而且我們已經(jīng)把中國科學(xué)院相關(guān)的八個(gè)專(zhuān)利打包，由一家公司統一購買(mǎi)，接下來(lái)要做知識產(chǎn)權的運營(yíng)，他們第一筆融資兩千萬(wàn)元已經(jīng)完成，知識產(chǎn)權的采購，第二筆融資一千五百萬(wàn)元現在正在建第一條線(xiàn)，接下來(lái)很重要的是我們把我們這個(gè)材料要在各個(gè)行業(yè)進(jìn)行推廣。比如十八面體的我們就跟北京的一個(gè)上市公司，讓它獨家買(mǎi)斷十八面體的使用，跟它成立了聯(lián)合實(shí)驗室。我們現在說(shuō)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(gè)基礎上我們已經(jīng)有各種設計方案，比如最小型的1兆瓦的用于野外移動(dòng)橇裝式的應用場(chǎng)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(lái)進(jìn)行生產(chǎn)。我們現在研發(fā)的事實(shí)上是成套裝備，未來(lái)不管落在哪個(gè)地方，現在我們在國內想選五個(gè)左右的城市做產(chǎn)業(yè)基地，是裝備制造基地，未來(lái)每個(gè)基地目前設計能力按照2GW裝備制造能力來(lái)設計。

我們的研究團隊都是中國科學(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(xiàn)的管理和生產(chǎn)，我們只做知識產(chǎn)權運營(yíng)。我們要把擅長(cháng)做裝備、做銷(xiāo)售、做市場(chǎng)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(guò)知識產(chǎn)權運營(yíng)完成我們這個(gè)技術(shù)在全國以及國際上的推廣。

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

我們的技術(shù)全稱(chēng)叫全光域響應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。