儲氫罐 電池網資料圖
含碳資源到無碳能源轉化
當前乃至30年—50年內，我國經濟和社會發展將仍以碳基為主的能源消費為基礎，含碳資源高效清潔轉化利用是未來的發展方向。含碳資源如何向無碳能源經濟轉化，利用氫能是一條途徑。
最近，中國科學院山西煤化所煤轉化國家重點實驗室研究員溫曉東課題組與北京大學、中國科學院大學、大連理工大學課題組合作，針對甲醇和水液相制氫反應的特點，從實驗設計出發，結合理論計算開發出新型原子級分散的鉑-碳化鉬雙功能催化劑，實現了在低溫下（150℃-190℃）高效的產氫效率。此外，研究團隊還在水煤氣變換產氫過程中，突破了低溫條件下高反應轉化率與高反應速率不能兼得的難題，發展了新一代催化過程。該研究成果已發表在國際頂級學術期刊《Nature》，并入選2017年中國科學十大進展。
研究進展被國際多家科學媒體報道并高度評價，美國化學會《C&E News》雜志和英國皇家化學會《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。”美國特拉華大學能源中心主任Dion Vlachos教授評論這個新過程“在反應性能上處在技術前沿”；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氫中發揮優勢作用。
雙功能催化提高產氫效率
氫能是公認的高熱值清潔能源，高位發熱值達1.42×102 MJ/kg，約是汽油發熱值的3倍，也被稱為“能源貨幣”。氫燃料電池是當前最具潛力的新一代氫能利用系統，航空航天尖端領域應用廣泛，被認為是未來汽車及其他便攜設備重要的候選動力系統。然而，氫氣存儲和輸運技術一直沒有關鍵突破，這也成了氫能源大規模應用的瓶頸。
溫曉東向記者介紹，從技術上來說，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，化學性質活潑，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展。因此，另一種策略——將氫氣以化學能形式儲存于穩定的液體燃料中，通過催化反應原位釋放氫氣供應燃料電池使用，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、副產物少以及價廉易得等諸多優點，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，使反應器結構更為緊湊而利于車載。溫曉東說，高效穩定的甲醇水液相重整催化劑并不多見，也是該領域發展需要優先解決的重要問題。
這是一個艱難的過程，萬里挑一猶如大海撈針。科研人員通過特性比對法、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。他們發現，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，構筑出高密度的原子尺度催化活性中心。單分散鉑主要負責甲醇的解離過程，而碳化鉬主要負責水的解離過程，重要的是這兩個催化過程的反應速率相近，進而形成高效的雙功能催化體系。
含碳資源轉化有了新方向
原子級高度分散的鉑中心和碳化鉬基底之間的協同作用，能夠在兩者界面實現對反應中間體的高效活化和協同轉化，從而使得整個催化劑在甲醇和水液相反應中表現出超高的產氫活性，在150攝氏度就能以2276molH2/（molPt×h）的反應速率釋放氫氣，進一步提高溫度至190攝氏度，放氫速率可達18046 molH2/（molPt×h），較傳統鉑基催化劑活性提升了近兩個數量級。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，以產氫活性估計，僅需含有6克鉑的該催化劑即可使產氫速率達到1kgH2/h，基本滿足商用車載燃料電池組的需求。以當前甲醇市場價格（2400元/噸）計算，采用此技術路徑儲放氫氣，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、能量密度高等優點，氫轉電能，理論上的轉化率可以做到接近100%，電動車把電能轉化為機械能的能量轉化效率在90%以上。由此，燃料電池動力能量的密度相當于傳統燃油動力的10倍。
為氫燃料諸多優點吸引，無論是國內汽車產業，還是國外汽車行業，都開始加速在氫燃料電池領域布局。5月7日，科學技術部發布了國家重點研發計劃“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應用。目前，氫燃料電池發展還處于初級階段，但氫燃料發展前景廣闊，在其大規模落地之前仍需要很長的時間去解決技術痛點。溫曉東說，我們的研究為含碳資源高效清潔轉化利用提供了新方向，實現了從含碳資源到無碳能源的高效溫和轉化，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用。
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