【专辑序言】氢能的未来:制氢、储氢和用氢中挑战与机遇

随着全球能源转型加速，可再生能源装机量迅猛增长，导致绿色电能价格持续下降，目前在部分地区甚至已低于传统煤电。这一趋势将促使绿电在能源、金属及化工等多个重要行业逐步替代传统化石能源供能，对于实现“碳达峰和碳中和”具有划时代意义。在能源领域，基于绿电电解水制备氢气，以氢能为绿电载体成为重要发展方向。近年来，中国政府针对氢能推出了多项政策，例如2022年出台的《科技支撑碳达峰碳中和实施方案(2022—2030)》提出要研发可再生能源高效低成本制氢技术；2023年发布的《新时代的中国绿色发展》白皮书指出要坚持创新引领，积极发展氢能源。根据中国氢能联盟预计，到2030年，我国氢气需求量将达到3 500万t，可再生能源制氢约为500万t，部署电解槽装机约80 GW(1 GW为10亿W)。到2050年，氢能将在中国终端能源体系中占比至少达到10%，产业链年产值约12万亿元，成为引领经济发展的新增长极。

然而氢能的发展仍然面临着严峻的挑战。从市场端来看,特别是氢能下游利用(如:绿色甲醇、合成氨、氢能重卡等运输工具)仍然未形成稳定的供给需求,尽管市场前景巨大,但是仍然存在较大的不确定性。从成本的角度看,绿氢的制取无论从电解水制氢还是生物质的成本仍然显著高于传统来自于化石能源的灰氢,而且氢能需要与现有的锂电竞争,相比锂电池,基于氢气的动力系统(如:燃料电池)的成本仍然居高不下。从技术的角度看,氢气作为自然界中最小的分子,具有扩散速度快、化学活性高等特性,压缩储运、管道输运对于运输媒介的材料有着极高的要求。

基于以上挑战,本专辑从制氢、储氢和用氢的角度,探索新材料和新工艺流程。

在制氢方面，我们东华大学团队总结了电解水制氢耦合醇类小分子电催化氧化制备高附加值化学品的近期研究进展,重点介绍了新近发展的阳极催化材料体系及其催化机制,通过耦合化学品的生产有望平抑绿氢的生产成本。电解水制氢器件主要由析氢、析氧电极以及隔膜或者高分子聚合物固态电解质这3个核心部件构成。双极膜是新型固态电解质,可维持膜两侧pH值梯度恒定,提升电解效率。上海大学钱汇东团队从双极膜原理出发,系统介绍了双极膜的组成、制备工艺及其在电解水制氢等器件中的独特优势。在析氢电极方面,天津大学王宇新团队研究了用于碱性电解水制氢中用于析氢的电镀镍钼合金电极,通过对镀层中气泡析出的观察、裂纹的监测,以及电化学与元素分析表征,揭示了镍钼镀层在运行中开裂的原因,并提出一种低镀液浓度和大电流密度的镍钼电沉积的解决方案。天津大学张吕鸿团队设计合成超薄碳化钼纳米片微球负载的钌析氢电催化剂,在催化电解水中活性优于商业化铂碳催化剂。在析氧电极方面,王宇新团队在商用镍网上制备出镍铁合金析氧电催化剂,制备出了多级多孔枝晶状结构镀层,能够在大电流密度下稳定运行。另外王宇新团队还研究了无膜水电解技术，通过建立穿流电极无膜水电解的二维数值模拟模型，研究了系统内部质量、动量、电荷传递等因素，对整个系统的电化学反应过程进行了模拟计算，并结合实验数据验证了模型准确性，为开发新型无膜水电解技术提供了重要参考。除了通过优化电解水核心部件性能，通过外场辅助来提高电解水性能成为新兴的研究热点，北京化工大学栗振华团队系统介绍了在电解水制氢过程中引入光场、磁场等外场促进传质和提升反应动力学的研究进展，并展望了未来的外场辅助策略的发展趋势。直接通过光催化分解水来制取氢气被视为一种理想的反应方式。

然而，与电解水制氢的方法相比，这种技术在效率上还远未达到应用标准，需要在光催化材料方面突破。昆明理工大学朱远蹠团队设计构建了红磷与氮化碳的异质结构，实现了光生载流子的有效分离，在无牺牲剂的条件下实现光催化裂解水制氢。陕西师范大学朱晓林团队对采用有机半导体进行光催化分解水进行了整理和总结，重点介绍了超分子聚合物、共轭聚合物有机半导体光催化剂及其催化性能提升策略。

在储氢方面,东方电气集团杨锦团队基于最小二乘方法快速准确求解70 MPa梯级加氢站最适宜的压力配置,获得了各级储氢罐的最适宜压力级,该项研究发现与传统单级加氢站相比,梯级加氢的能效提高了36%。

在用氢方面,昆明理工大学谢德龙团队采用共沉淀法制备了镍掺杂的氧化铟催化剂,镍稳定了氧化铟表面氧空位,提升了二氧化碳的吸脱附能力,从而促进二氧化碳加氢制甲醇反应的转化率。中国石油大学赵青山团队报道了一种以氧化石墨烯与硫化铁复合材料为载体担载钯纳米颗粒的催化剂,复合载体提升了钯的分散度并改变了钯的电子态,使得硝基芳烃选择性加氢反应转化率和选择性都达99%。上海理工大学张兴光团队研究了水热炭改性的铂催化剂对苯酚和糠醛加氢性能影响,发现水热炭表面丰富的含氧基团有效提升了铂颗粒的分散度和结构稳定性,并促进了反应物分子的吸附,从而实现了加氢性能的提升。天津大学赵玉军团队制备了系列铜锌铝催化剂,研究其对液相月桂酸甲酯加氢制备月桂醇的催化性能,发现Cu-O-Zn位点提升Cu0位点的催化活性,同时Al物种作为结构助剂提升了催化剂的比表面积和稳定性,从而实现了较高的催化性能。我们东华大学团队总结了炔烃的选择性半加氢负载型催化剂的最新进展，阐述了炔烃半加氢反应的机理，讨论了负载型催化剂对提升该反应选择性的影响因素，归纳总结了其在热催化、电催化和光催化中的研究进展。

总的来说,近年来在氢能领域,新型电化学反应器、新型催化过程、新型材料设计范式层出不穷,成为国内外研究热点。本次氢能专刊旨在为学术界和工业界提供一定的参考,随着我国科研人员对氢能产业链核心技术的深入研究和不懈追求,相信绿色氢能源将在实现碳达峰和碳中和的双碳战略目标中扮演至关重要的角色。

来源： 化学工业与工程