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含碳資源到無碳能源轉(zhuǎn)化
當(dāng)前乃至30年—50年內(nèi)，我國經(jīng)濟和社會發(fā)展將仍以碳基為主的能源消費為基礎(chǔ)，含碳資源高效清潔轉(zhuǎn)化利用是未來的發(fā)展方向。含碳資源如何向無碳能源經(jīng)濟轉(zhuǎn)化，利用氫能是一條途徑。
最近，中國科學(xué)院山西煤化所煤轉(zhuǎn)化國家重點實驗室研究員溫曉東課題組與北京大學(xué)、中國科學(xué)院大學(xué)、大連理工大學(xué)課題組合作，針對甲醇和水液相制氫反應(yīng)的特點，從實驗設(shè)計出發(fā)，結(jié)合理論計算開發(fā)出新型原子級分散的鉑-碳化鉬雙功能催化劑，實現(xiàn)了在低溫下（150℃-190℃）高效的產(chǎn)氫效率。此外，研究團隊還在水煤氣變換產(chǎn)氫過程中，突破了低溫條件下高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率與高反應(yīng)速率不能兼得的難題，發(fā)展了新一代催化過程。該研究成果已發(fā)表在國際頂級學(xué)術(shù)期刊《Nature》，并入選2017年中國科學(xué)十大進展。
研究進展被國際多家科學(xué)媒體報道并高度評價，美國化學(xué)會《C&E News》雜志和英國皇家化學(xué)會《Chemistry World》雜志分別以“氫能源：制備氫燃料新過程”和“新型催化劑點亮氫能汽車未來”為題進行了亮點報道，認為“隨著此高活性催化體系的成功，把氫氣存儲于甲醇并在需要時重整釋放的概念可能得到實際應(yīng)用，這是氫能儲存和輸運體系的一個重大突破。”美國特拉華大學(xué)能源中心主任Dion Vlachos教授評論這個新過程“在反應(yīng)性能上處在技術(shù)前沿”；德國萊布尼茲催化所所長Matthias Beller教授認為這個催化體系是一個重大突破，此類催化劑還有望在其他水相重整制氫過程，如生活廢水、乙醇等原料的催化產(chǎn)氫中發(fā)揮優(yōu)勢作用。
雙功能催化提高產(chǎn)氫效率
氫能是公認的高熱值清潔能源，高位發(fā)熱值達1.42×102 MJ/kg，約是汽油發(fā)熱值的3倍，也被稱為“能源貨幣”。氫燃料電池是當(dāng)前最具潛力的新一代氫能利用系統(tǒng)，航空航天尖端領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，被認為是未來汽車及其他便攜設(shè)備重要的候選動力系統(tǒng)。然而，氫氣存儲和輸運技術(shù)一直沒有關(guān)鍵突破，這也成了氫能源大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸。
溫曉東向記者介紹，從技術(shù)上來說，直接儲氫是最簡便的解決方案。目前，日本豐田公司商業(yè)化的氫燃料電池汽車就是使用容量約為120升、壓力高達700帕的兩個鋼瓶攜帶氫氣。由于氫氣易燃易爆，化學(xué)性質(zhì)活潑，容易泄漏，該方法的安全性不容樂觀。另外，高壓加氫站建設(shè)所需高成本以及安全隱患也限制著直接氫燃料電池汽車的發(fā)展。因此，另一種策略——將氫氣以化學(xué)能形式儲存于穩(wěn)定的液體燃料中，通過催化反應(yīng)原位釋放氫氣供應(yīng)燃料電池使用，引起眾多研究者的興趣，他們認為這是一種行之有效的間接儲氫途徑。甲醇具有單位體積儲氫量高、活化溫度低、副產(chǎn)物少以及價廉易得等諸多優(yōu)點，是理想的液體儲氫平臺分子。
目前，甲醇水汽重整過程研究已經(jīng)非常廣泛而深入，采用液相重整方法，能夠移除液體汽化單元，使反應(yīng)器結(jié)構(gòu)更為緊湊而利于車載。溫曉東說，高效穩(wěn)定的甲醇水液相重整催化劑并不多見，也是該領(lǐng)域發(fā)展需要優(yōu)先解決的重要問題。
這是一個艱難的過程，萬里挑一猶如大海撈針?？蒲腥藛T通過特性比對法、排除法苦苦尋覓，又在實驗室里進行了上百種催化劑試驗，最后篩選出10余種催化劑待選物。他們發(fā)現(xiàn)，金屬鉑與碳化鉬基底之間存在著非常強的相互作用，使得鉑以原子級分散在碳化鉬納米顆粒表面，構(gòu)筑出高密度的原子尺度催化活性中心。單分散鉑主要負責(zé)甲醇的解離過程，而碳化鉬主要負責(zé)水的解離過程，重要的是這兩個催化過程的反應(yīng)速率相近，進而形成高效的雙功能催化體系。
含碳資源轉(zhuǎn)化有了新方向
原子級高度分散的鉑中心和碳化鉬基底之間的協(xié)同作用，能夠在兩者界面實現(xiàn)對反應(yīng)中間體的高效活化和協(xié)同轉(zhuǎn)化，從而使得整個催化劑在甲醇和水液相反應(yīng)中表現(xiàn)出超高的產(chǎn)氫活性，在150攝氏度就能以2276molH2/（molPt×h）的反應(yīng)速率釋放氫氣，進一步提高溫度至190攝氏度，放氫速率可達18046 molH2/（molPt×h），較傳統(tǒng)鉑基催化劑活性提升了近兩個數(shù)量級。同時，原子級分散的特點能最大限度提高貴金屬鉑的利用率，以產(chǎn)氫活性估計，僅需含有6克鉑的該催化劑即可使產(chǎn)氫速率達到1kgH2/h，基本滿足商用車載燃料電池組的需求。以當(dāng)前甲醇市場價格（2400元/噸）計算，采用此技術(shù)路徑儲放氫氣，氫燃料電池汽車每百公里燃料價格約13元，而加60升-80升甲醇可供家用小轎車行駛600公里-1000公里。
專注于研究氫燃料電池車的EnerMaster能碩創(chuàng)始人游李興認為，氫的可控性和可塑性更強，同時還具有加氫速度快、能量密度高等優(yōu)點，氫轉(zhuǎn)電能，理論上的轉(zhuǎn)化率可以做到接近100%，電動車把電能轉(zhuǎn)化為機械能的能量轉(zhuǎn)化效率在90%以上。由此，燃料電池動力能量的密度相當(dāng)于傳統(tǒng)燃油動力的10倍。
為氫燃料諸多優(yōu)點吸引，無論是國內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)，還是國外汽車行業(yè)，都開始加速在氫燃料電池領(lǐng)域布局。5月7日，科學(xué)技術(shù)部發(fā)布了國家重點研發(fā)計劃“新能源汽車”重點專項擬立項的2018年度項目公示清單，其中，國家層面撥款2.6億元投入燃料電池汽車研發(fā)應(yīng)用。目前，氫燃料電池發(fā)展還處于初級階段，但氫燃料發(fā)展前景廣闊，在其大規(guī)模落地之前仍需要很長的時間去解決技術(shù)痛點。溫曉東說，我們的研究為含碳資源高效清潔轉(zhuǎn)化利用提供了新方向，實現(xiàn)了從含碳資源到無碳能源的高效溫和轉(zhuǎn)化，為氫能制備、存儲及安全利用提供了新的思路，希望能在下一代高效儲放氫新體系得到應(yīng)用。
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