編者按:2021年7月8日,以"碳中和與未來能源"為主題的"第三屆未來能源大會"在北京召開,本次大會由中國能源研究會與中國能源網聯合主辦。會上,牛津大學材料系副教授Mauro pasta發表了"Hydrogen From Renewable Energy"的主旨演講。
以下內容根據論壇演講實錄進行整理。
Mauro Pasta:感謝主辦方的邀請,很榮幸能夠有機會,在第三屆未來能源大會上發言。我叫Mauro Pasta,在牛津大學材料系任副教授兼OSCAR的主要研究員,即位于中國蘇州的牛津大學高等研究院(蘇州)。
今天我想和大家談談我們現在正在進行的一些工作,即可再生能源制氫,尤其是開發更好的水分解反應電催化劑。在此之前,我會介紹我們的研究,我也充分信任本次大會。早在2018年IPCC發表了一份關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,本報告的一個關鍵結論是從這個角度強調的,氣候變化的凈損害成本可能十分巨大,并隨著時間的推移而增加,已經沒有時間空談了,現在是時候采取行動了。氣候變化和全球變暖沒有邊界,不分國家。因此,我們是一個共同體。因此,很高興了解到中國承諾到2060年實現碳中和,英國是第一個通過凈零排放法的主要經濟體,那是2019年6月,在屏幕的右邊,我展示了一張圖表,從氣候變化委員會出版的白皮書中摘錄,有一些英國政府關于此項目的建議,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的,我不涉及太多細節。我想強調的一點是電化學儲能在實現這一目標中的重要性。所以從最上面開始發電,如果我們想實現這個宏偉的目標,我們需要在很大程度上使電力脫碳,這意味著越來越多地引入和使用可再生能源。問題是可再生能源具有間歇性,很遺憾,陽光并不總是充足的,風力并不總是強勁的,因此我們需要能量儲存來穩定輸出功率并同時穩定電網。電化學儲能必將在實現這一目標中發揮作用。
我們再看看公路運輸,我們需要做得是擴大電動汽車市場,大家都知道,電動汽車的核心是鋰電池,一種典型的電化學儲能裝置,通過使用電力驅動飛行,電池也有助于減少航空排放,這項技術的核心,即包括電化學儲能和轉換的,是氫經濟。但我會在稍后的演講中再介紹氫,因為這是我今天演講的主題。我在牛津大學和OSCAR的研究小組,都希望為實現這些宏偉的目標作出貢獻。通過開發更好的材料來改良當前的電化學儲能和轉換裝置,特別是我們正在進行很多工作以發展未來的電池,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極,包括液體和固體電解質結構兩種,我們正在研究轉換陰極,特別是過渡金屬氟化物。我們也在研究無鈷陰極,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揮重要作用。
但我今天演講的重點是我們正在進行的電催化工作,大部分工作實際上是在OSCAR的實驗室里完成的,即牛津大學高等研究院(蘇州),OSCAR于2018年正式成立位于蘇州工業園區。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學者,加強現有的伙伴關系并建立新的伙伴關系,與江蘇省乃至全中國的學者和公司合作,為我們的基礎研究項目助力,推動技術進步并將其進一步推向市場,OSCAR的愿景是幫助開發解決方案,以協助應對重要挑戰。這不只是為了英中兩國,也是為了全世界,其中一個挑戰是,利用可再生能源生產氫氣,如今提到氫,我們主要考慮的是運輸行業,但事實是全球絕大部分的氫需求,實際上都來自這些工業部門,尤其是化學工業,需要大量的氫,主要包括氨的使用,還有煉油工業、鋼鐵工業,更廣泛地說是整個工業領域。
然而,你們看右邊,這些數據來自國際可再生能源機構,于2018年發表的一份報告 遺憾的是,總產氫量中只有4%來自電解,這是來自可再生能源的,而目前絕大部分氫來自不可再生能源,主要是來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,電解槽技術主要有兩種,在氫氧化鉀水溶液中工作的堿性電解槽,通過使用隔膜達到堿性條件,這種技術的缺點是電流密度低,主要受羥基離子在溶液中,通過隔膜遷移的限制,一項很有前景的技術是質子交換膜電解技術,也稱為PEM,這種技術的優點是使用質子交換膜,也就是質子導體,所以溶液呈酸性,但我們把去離子水注入這個裝置,這是一個很大的優勢。這種技術的缺點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施并利用。可再生能源的間歇性地理想選擇,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㎡的電流密度時長是2小時,左側是析氫反應(HER),右側是析氧反應(OER),這一數據來自2015年由斯坦福大學,Jaramillo教授研究小組發表的一篇論文,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。產生每毫升氧氣需要四個電子,而與之相對的析氫反應只需要兩個,同樣,在酸性條件下,質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,在操作現實的超電勢當中實際可行的,我們快速看看這個簡短的成本明細,數據摘錄自2020年國際可再生能源機構發表的一篇論文。
可以看到,質子交換膜電解槽的成本可以分為兩部分,一個是電廠配套設施,包括電源、去離子水循環、氫的處理和冷卻,可以將其看作一筆經常性開支,而45%的成本實際上來自堆棧,在堆棧中,24%的成本來自催化劑涂層膜,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。如果你想進一步降低電解槽的成本,隨著我們擴大系統的規模,堆棧中帶來的部分成本將有可能增加,因此,我們可以進一步降低成本,從基本物質的角度來看,我們需要同時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,所以如果我們想實現這些設備的規?;?,我們需要優化它們的裝載,實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,在催化反應中是無法得到使用的,因此也會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,由中國科學院大連化學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,所以我們基本上沒有不活潑的催化劑,因為我們只有活躍的表面,其巨大的優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境,這兩個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題之一,是它們的合成,可以說許多用于合成單原子的方法,還沒有那么好的可擴展性,這是我們OSCAR和牛津大學現行研究的很大一部分內容。
同時,加深對單原子和基質之間,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,特別是在操作過程中,所以更深入地理解單原子和基質之間的相互作用,提出穩定單個原子的策略。并把它們重新置于基質上,是絕對必要的。這樣我們才能提高效率并大規模實施,為了實現這些目標,我們利用了非常先進的表征技術,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。特別是,這里我們有X射線吸收光譜,由英國鉆石光源研究所收集,這項技術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,以及它如何在一個參數中演化出不同的電位,這為我們提供了很多關于單個原子、粒子和基質之間互動的信息。從而用4個月研究出如何制定更好的合成策略。
還有一項工作,我相信也是獨一無二的。主要是在OSCAR以及與江蘇省工業技術研究院合作,即制作我們單原子電催化劑概念的早期原型,能夠代表實際電解槽工作原理的原型,這是學術界的一個典型例子,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,這確實起到了一定的作用,因此,我們正在嘗試在開發過程的早期,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發展提供信息,使其有效且可大規模實施,我們的電化學儲能實驗室創建于2020年,現在已全面運轉,擁有一支由科學家和技術人員組成的核心團隊,和我一起從事于這些領域,但我們仍在招賢納士,如果你有興趣與我們共事或合作,歡迎聯系我們,這是我們的聯系方式,再次感謝主辦方的邀請。讓我有機會在第三屆未來能源大會上發言,期待很快能夠在中國見到大家,謝謝大家!
責任編輯: 江曉蓓