段東平：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(shù)

編者按：“雙碳”背景下，隨著(zhù)科技水平不斷進(jìn)步和能源行業(yè)快速發(fā)展，分布式能源已成為引領(lǐng)能源領(lǐng)域發(fā)展的重要趨勢之一。第十九屆中國分布式能源國際論壇”于2023年12月12日在重慶召開(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，

中科院過(guò)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(shù)》的報告。

以下內容根據論壇演講實(shí)錄進(jìn)行整理。

段東平：感謝主持人，也感謝大會(huì )組委會(huì )邀請我來(lái)參加會(huì )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(diǎn)點(diǎn)解釋。

一、研發(fā)出來(lái)了一種目前是全球首創(chuàng )的材料，多面體鈦酸鍶，當然重點(diǎn)用的是26面體鈦酸鍶，以及中空結構的26面體鈦酸鍶，這個(gè)材料目前在制備完成兩年多的時(shí)間里面，已經(jīng)把專(zhuān)利和應用場(chǎng)景進(jìn)行了細分，截至目前還沒(méi)有在全球看到有人制備出來(lái)，包括鈦酸鍶，包括其他材料的多面體材料。

二、技術(shù)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(shù)路線(xiàn)設計當中，一方面用它來(lái)發(fā)電，同時(shí)放在水里面實(shí)現了光解水制氫，一套技術(shù)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(shù)。

事實(shí)上這里面還集成另外一個(gè)技術(shù)，在報告里面提到，采用了聚光的方式實(shí)現大規模工業(yè)化應用的瓶頸。

我今天的內容重點(diǎn)從三個(gè)方面看一下技術(shù)的開(kāi)發(fā)情況，首先重點(diǎn)是開(kāi)辟出來(lái)了新能源材料，就從現在全球的情況來(lái)看，新能源材料定義的已經(jīng)很清晰，在各種場(chǎng)合下，比如隨便選幾個(gè)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(gè)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(shù)的發(fā)展，目前似乎第一中國人還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出來(lái)屬于我們自己獨有知識產(chǎn)的新能源材料。

二、整個(gè)體系當中無(wú)論是標準還是技術(shù)源泉，似乎都是來(lái)源于西方的國家。說(shuō)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在使用材料的獨特性，他時(shí)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，也包括現在市場(chǎng)上可以買(mǎi)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(xué)發(fā)現目前僅有一種材料具備由激光轟擊之后表面出現了光陰極現象，這個(gè)材料就是他們所使用的六面體鈦酸鍶。光陰極實(shí)際上在物理學(xué)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(dòng)，現象更像是金屬材料當中的電子云，實(shí)際上這個(gè)地方用了一個(gè)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(xué)佐證了一下。

再來(lái)看另外一個(gè)變形的元素周期表，在2019年，歐洲化學(xué)會(huì )和英國皇家化學(xué)會(huì )聯(lián)合發(fā)布了元素周期表，列了90種元素，按照未來(lái)一百年對人類(lèi)將會(huì )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(jìn)行了分類(lèi)，這上面包括好幾種顏色，比如綠色的，就是未來(lái)沒(méi)有危機的，黃色的大約會(huì )逐漸稀少，偏橙黃色的未來(lái)資源量肯定會(huì )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(gè)元素，其中有一個(gè)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(gè)鍶，鍶事實(shí)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(kāi)會(huì )，我在4年前的11月2日在重慶做了一個(gè)報告，我們要做的事情是打造世界“鍶都”，重慶當仁不讓?zhuān)f(shuō)的重慶人莫名其妙，資源開(kāi)發(fā)以及宣傳還是沒(méi)有到位。

鍶對于歐洲來(lái)說(shuō)，或者對于很多西方國家來(lái)說(shuō)，他們的發(fā)展戰略當中非常重要，但是它的資源非常緊張，而鍶資源在現在全球已經(jīng)探明的1.42億噸的儲量當中，中國占了8200萬(wàn)噸，占總量的57.6%，當然重慶的量更大，重慶是現在全球最大的鍶資源儲地，現在探明儲量3807萬(wàn)噸，占全世界的26.7%，因此在大背景下就提出了接下來(lái)要說(shuō)的技術(shù)路線(xiàn)，我們有非常大的優(yōu)勢，中國的資源優(yōu)勢加上技術(shù)的卡脖子優(yōu)勢，可以完成這一項技術(shù)。

鈦酸鍶原本早就存在，原來(lái)六面體鈦酸鍶一直作為壓電材料、介電材料在使用，事實(shí)上在市場(chǎng)上可以買(mǎi)到常規產(chǎn)品。但是我們經(jīng)過(guò)十余年的研究，把材料性能進(jìn)行了深度的拓展和挖掘，現在已經(jīng)成功的在實(shí)驗室以及放大規模的設備商制備出來(lái)批量的二十六面體材料和中空材料，材料從外觀(guān)上圖片很清晰，性能上有很多與現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，在下面從左往右數第二個(gè)柱狀圖可以看，四個(gè)柱分別是市場(chǎng)上常規的鈦酸鍶產(chǎn)品的光電轉換效率，測試的結果是11.1%。

第二個(gè)紅柱是實(shí)驗室自己制備的形貌非常規則的六面體鈦酸鍶，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(gè)是一個(gè)數量級，因為規則不規則，形貌是不是統一，影響了一些光電轉換性能。

第三個(gè)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(gè)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(lái)應用上講，我覺(jué)得基礎性質(zhì)是一定要搞清楚的，在右下角我們也特地列了四句話(huà)。

一、穩定性特別好，熔點(diǎn)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(lǐng)域非常需要的現象。

三、事實(shí)上現有的新能源技術(shù)非常害怕紫外線(xiàn)，而現在的材料可以覆蓋從200納米到800納米的區間，紫外光更好的轉換成為光電子。

四、由于采用的聚光技術(shù)，因此我們認為現在的技術(shù)實(shí)際上是一個(gè)已經(jīng)超越了三維空間結構的四維技術(shù)架構，形成這樣一條技術(shù)。

具體的從研究上講有幾個(gè)圖片，大家簡(jiǎn)單過(guò)一下，比如如何從晶面調控，實(shí)現不同晶面的鈦酸鍶合成，這是我們做的工作，再通過(guò)一些表征、檢測得到準確的參數，獲得全球認可的材料相關(guān)數據。

另外，分別要對多面體材料進(jìn)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(xué)會(huì )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(shí)也充分肯定了全球首次制備出來(lái)二十六面體納米晶體的技術(shù)。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(gè)工作也在今年10月份在美國化學(xué)會(huì )刊GMCA上又獲得了封面的刊登，當然有很好的數據呈現給了全球。

從過(guò)去十年當中，在各方面做的一系列研究，重點(diǎn)解決了光電轉換當中的機理問(wèn)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態(tài)激子對的存在以及各項異性的分布特征，這些其實(shí)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(lái)新的成套技術(shù)，才能夠獲得新的認可。

我們的用途其實(shí)就集中在大家現在更關(guān)注的新能源領(lǐng)域，包括太陽(yáng)能、氫能等等，帶這個(gè)基礎的研發(fā)過(guò)程中有這樣一個(gè)體會(huì )，就是下面這句話(huà)，我認為人類(lèi)利用自然能最理想方式，就是用最短路徑把太陽(yáng)能轉換成電能，并且可以同時(shí)高效的光解水制氫，目前所看到的所有技術(shù)里面，我認為這個(gè)可能是難度最大的，或者說(shuō)將來(lái)解決起來(lái)大概是終極的技術(shù)路線(xiàn)。

和新能源的對比，通常會(huì )拿晶硅光伏板，甚至最近這兩年熱起來(lái)的鈣鈦礦材料，鈣鈦礦電池材料去進(jìn)行對比，這是現有的晶硅技術(shù)制作的簡(jiǎn)單簡(jiǎn)圖，在這里做個(gè)背景。制氫其實(shí)也一樣，全球很多制氫的技術(shù)路線(xiàn)，現在通常被認為濾氫制備技術(shù)的路線(xiàn)當中，左邊的圖里面可以看到其實(shí)有四個(gè)路線(xiàn)，圖里面最左邊的線(xiàn)就是光解水制氫的技術(shù)路線(xiàn)，從技術(shù)路線(xiàn)上看，最簡(jiǎn)單的制氫路線(xiàn)就是光解水制氫，但是往往最簡(jiǎn)單的時(shí)候，技術(shù)路線(xiàn)或者技術(shù)難度是最高的，所以我們的工作就是接下來(lái)解決的事情。

怎么解決?做一個(gè)對比，我在這里列了三行的圖片，是從原礦開(kāi)始一直到產(chǎn)品做一個(gè)相對應生產(chǎn)環(huán)節的對比，比如第一行就是晶硅電池技術(shù)全流程的分布圖，它有它的特點(diǎn)，當然現在在全球推廣開(kāi)來(lái)，有它的優(yōu)勢，簡(jiǎn)單可以看一下。

第二行就是鈣鈦礦電池領(lǐng)域的人在參考晶硅電池的技術(shù)路線(xiàn)，在模仿相應的電池所開(kāi)展的工作，上下第一行、第二行的區別其實(shí)都是用的礦產(chǎn)資源，只不過(guò)在進(jìn)行材料的合成和制備的時(shí)候，晶硅是用的高能耗的電爐進(jìn)行了冶煉，鈣鈦礦的材料是用了低能耗的化工反應器進(jìn)行了化學(xué)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(shí)現光電轉化，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(lái)就做了新思想拓展。

我們最熟悉的就是化工，最要開(kāi)展的就是化學(xué)反應，因此把我們的材料并沒(méi)有放進(jìn)摩爾里面，也沒(méi)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(yáng)光作為光電轉換的原料，來(lái)實(shí)現最終的光電轉換基礎，所以最下面這行是現在對技術(shù)的思路是這樣來(lái)做的，技術(shù)路線(xiàn)其實(shí)在打通之后，現在的材料已經(jīng)委托合作，跟北京的上市公司全部買(mǎi)斷了，已經(jīng)拿走了，現在把二十六面體在發(fā)電和制氫上應用，我們做的技術(shù)其實(shí)類(lèi)比的叫投資方，經(jīng)常類(lèi)比的就是晶硅等等，我們的技術(shù)集成之后，大家在右下角可以看到圖片，現在正在鄭州建設兩千倍聚光的示范縣。

未來(lái)在整個(gè)技術(shù)當中要實(shí)現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(shí)6個(gè)毫摩爾，通常全球的數據是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(shù)路線(xiàn)從這里可以簡(jiǎn)單的看一下，左上角就是核心技術(shù)、材料，把它要裝在光反應器里，最后把水和聚光之后的太陽(yáng)光當成是反應原料，最后進(jìn)到整體的技術(shù)里面，在設置里面完成這樣的工作。

現在這項技術(shù)，因為已經(jīng)開(kāi)發(fā)到后期了，最近大約已經(jīng)申請了20多項專(zhuān)利，其中有5項已經(jīng)授權，還有幾項現在正在審批當中。根據給中國科學(xué)院報的相關(guān)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(qián)，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(gè)系統后面有一個(gè)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(shù)解決后續的儲和運工作?，F在看這項技術(shù)未來(lái)應用的領(lǐng)域應該比較廣，很可能最先推進(jìn)的是北方地區熱電廠(chǎng)的整體改造，這是大的板塊，再一個(gè)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(wù)是野外、野戰等等沒(méi)有任何能源條件的地區實(shí)現這樣的工作。

最后再從整個(gè)的模式上，因為現在這項技術(shù)和現有的新能源技術(shù)有很大的差別，因此在技術(shù)架構上和合作模式上都和現在的新能源技術(shù)有很大的區別，我們認為技術(shù)里面最核心的關(guān)鍵材料，甚至是可以類(lèi)比成英特爾的芯片是在中國人自己手里，因此整個(gè)架構并不是一個(gè)拿來(lái)的事情，而是自己開(kāi)創(chuàng )推廣的事情，所以模式是不同的。

首先突破了關(guān)鍵材料，這是最核心的問(wèn)題。其次在整個(gè)體系當中，真正做到的是從太陽(yáng)光照射到地球光的強度來(lái)算，到最后達到45以上的光電轉換效率，這個(gè)和現在的新能源數據、差距是巨大的，而且數據下一步的目標是60%。

在整個(gè)技術(shù)里面，實(shí)際上原有物理的光電轉換以及化學(xué)、化工的光反應器的技術(shù)，化學(xué)物理結合在一起的一套技術(shù)，這是全球沒(méi)有結合的思路。還有在技術(shù)方面利用我們的優(yōu)勢，因為現在已經(jīng)從材料拓展到了紫外和可見(jiàn)光的全光域進(jìn)行光電轉換，在這些技術(shù)當中，之所以現在信息很足，包括三年前還在開(kāi)如何打造世界鍶都的會(huì )，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(shù)開(kāi)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(shù)。

未來(lái)如果放在西部地區應該是這樣的場(chǎng)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(lái)的目標是黑洞，來(lái)的光盡可能留在里面，完成它的光電轉換，未來(lái)整體的光電轉換效率目標是60%以上。另外這項技術(shù)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中注意到的優(yōu)勢，現在還很少有一項技術(shù)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(shù)是自備儲能、自備轉換的技術(shù)，所以我們叫制氫和發(fā)電可以互相切換，互為儲能，在整個(gè)的系統當中，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(shí)完成兩件事，這也是現在全球沒(méi)有在一套裝置上實(shí)現兩件事的技術(shù)。

最后可以分享兩組數據，一個(gè)是現在全國正在對接和建設幾個(gè)裝備制造基地，按照未來(lái)成套裝備的發(fā)電能力，比方說(shuō)10兆瓦、50兆瓦、100兆瓦等等，每個(gè)基地按照2個(gè)GW的年制造能力來(lái)看，固定資產(chǎn)投資大約2個(gè)億，土地還有1個(gè)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(shí)候，比如10兆瓦和50兆瓦，可以對應看到相應的參數，比如發(fā)電量是可以測算出來(lái)的，度電的成本同樣也能測算出來(lái)，另外同時(shí)還能產(chǎn)生氫氣，制氫現在也是國內很熱或者急需的一項技術(shù)，只不過(guò)我們是光解水制氫，而不是電解水制氫。

時(shí)間問(wèn)題，就把技術(shù)向大家分享到這里，感謝大會(huì )。