Hydrogen From Renewable Energy

编者按：2021年7月8日，以"碳中和与未来能源"为主题的"第三届未来能源大会"在北京召开，本次大会由中国能源研究会与中国能源网联合主办。会上，牛津大学材料系副教授Mauro pasta发表了"Hydrogen From Renewable Energy"的主旨演讲。

以下内容根据论坛演讲实录进行整理。

Mauro Pasta：感谢主办方的邀请，很荣幸能够有机会，在第三届未来能源大会上发言。我叫Mauro Pasta，在牛津大学材料系任副教授兼OSCAR的主要研究员，即位于中国苏州的牛津大学高等研究院(苏州)。

今天我想和大家谈谈我们现在正在进行的一些工作，即可再生能源制氢，尤其是开发更好的水分解反应电催化剂。在此之前，我会介绍我们的研究，我也充分信任本次大会。早在2018年IPCC发表了一份关于全球变暖的特别报告，这是对全世界的警醒。如果世界需要警醒的话，本报告的一个关键结论是从这个角度强调的，气候变化的净损害成本可能十分巨大，并随着时间的推移而增加，已经没有时间空谈了，现在是时候采取行动了。气候变化和全球变暖没有边界，不分国家。因此，我们是一个共同体。因此，很高兴了解到中国承诺到2060年实现碳中和，英国是第一个通过净零排放法的主要经济体，那是2019年6月，在屏幕的右边，我展示了一张图表，从气候变化委员会出版的白皮书中摘录，有一些英国政府关于此项目的建议，我们首先能清楚地看到，温室气体排放是如何影响我们的日常生活，影响我们的大部分活动的，我不涉及太多细节。我想强调的一点是电化学储能在实现这一目标中的重要性。所以从最上面开始发电，如果我们想实现这个宏伟的目标，我们需要在很大程度上使电力脱碳，这意味着越来越多地引入和使用可再生能源。问题是可再生能源具有间歇性，很遗憾，阳光并不总是充足的，风力并不总是强劲的，因此我们需要能量储存来稳定输出功率并同时稳定电网。电化学储能必将在实现这一目标中发挥作用。

我们再看看公路运输，我们需要做得是扩大电动汽车市场，大家都知道，电动汽车的核心是锂电池，一种典型的电化学储能装置，通过使用电力驱动飞行，电池也有助于减少航空排放，这项技术的核心，即包括电化学储能和转换的，是氢经济。但我会在稍后的演讲中再介绍氢，因为这是我今天演讲的主题。我在牛津大学和OSCAR的研究小组，都希望为实现这些宏伟的目标作出贡献。通过开发更好的材料来改良当前的电化学储能和转换装置，特别是我们正在进行很多工作以发展未来的电池，比如，引入更高能量密度，更便宜且更容易回收地理想材料。我们正在研究锂金属阳极，包括液体和固体电解质结构两种，我们正在研究转换阴极，特别是过渡金属氟化物。我们也在研究无钴阴极，特别是高压锂镍锰氧化物。在锂离子以外或与之平行的技术中，我们认为尤其是钾，可以在帮助可再生能源转型和整合方面发挥重要作用。

但我今天演讲的重点是我们正在进行的电催化工作，大部分工作实际上是在OSCAR的实验室里完成的，即牛津大学高等研究院(苏州)，OSCAR于2018年正式成立位于苏州工业园区。在中国江苏省苏州市，成立OSCAR旨在帮助像我一样的牛津大学学者，加强现有的伙伴关系并建立新的伙伴关系，与江苏省乃至全中国的学者和公司合作，为我们的基础研究项目助力，推动技术进步并将其进一步推向市场，OSCAR的愿景是帮助开发解决方案，以协助应对重要挑战。这不只是为了英中两国，也是为了全世界，其中一个挑战是，利用可再生能源生产氢气，如今提到氢，我们主要考虑的是运输行业，但事实是全球绝大部分的氢需求，实际上都来自这些工业部门，尤其是化学工业，需要大量的氢，主要包括氨的使用，还有炼油工业、钢铁工业，更广泛地说是整个工业领域。

然而，你们看右边，这些数据来自国际可再生能源机构，于2018年发表的一份报告 遗憾的是，总产氢量中只有4%来自电解，这是来自可再生能源的，而目前绝大部分氢来自不可再生能源，主要是来自天然气的蒸汽重组，我们转换电能的装置，最理想的是从可再生能源转化为化学能，也就是将水分解成氢和氧，这种装置叫电解槽，电解槽技术主要有两种，在氢氧化钾水溶液中工作的碱性电解槽，通过使用隔膜达到碱性条件，这种技术的缺点是电流密度低，主要受羟基离子在溶液中，通过隔膜迁移的限制，一项很有前景的技术是质子交换膜电解技术，也称为PEM，这种技术的优点是使用质子交换膜，也就是质子导体，所以溶液呈酸性，但我们把去离子水注入这个装置，这是一个很大的优势。这种技术的缺点是对贵金属电催化剂的需求，但是可以达到更高的电流密度，因此，快速反应使其成为实施并利用。可再生能源的间歇性地理想选择，现在从y轴上看，可以看到超电势，这是我们需要给我们系统的多余能量，以助其完成反应10毫安c㎡的电流密度时长是2小时，左侧是析氢反应(HER)，右侧是析氧反应(OER)，这一数据来自2015年由斯坦福大学，Jaramillo教授研究小组发表的一篇论文，你可以很快注意到析氢反应与析氧反应相比，具有较低的超电势，这是由于析氧反应的内在机制。产生每毫升氧气需要四个电子，而与之相对的析氢反应只需要两个，同样，在酸性条件下，质子交换膜的模拟操作。你可以看到最具电催化活性的金属是用于析氢反应的铂，而在析氧反应方面，基于钌和铱的电催化剂是唯一，在操作现实的超电势当中实际可行的，我们快速看看这个简短的成本明细，数据摘录自2020年国际可再生能源机构发表的一篇论文。 

可以看到，质子交换膜电解槽的成本可以分为两部分，一个是电厂配套设施，包括电源、去离子水循环、氢的处理和冷却，可以将其看作一笔经常性开支，而45%的成本实际上来自堆栈，在堆栈中，24%的成本来自催化剂涂层膜，那么催化剂，贵金属制成的具有电催化活性的电催化剂，例如，具有全氟磺酸膜涂层的铀和铂，大约42%的成本来自制造，剩下的58%基本上平分。在膜和电催化剂铱和铂之间，几乎平分。如果你想进一步降低电解槽的成本，随着我们扩大系统的规模，堆栈中带来的部分成本将有可能增加，因此，我们可以进一步降低成本，从基本物质的角度来看，我们需要同时研究膜以及尤其是电催化剂，即便铱的获取较为容易，但铂铱在地壳中的含量却并不高，所以如果我们想实现这些设备的规模化，我们需要优化它们的装载，实现这一目标的途径之一是采用单原子电催化剂，传统的电催化剂是基于纳米颗粒，受支撑，通常是碳基导电支撑物，纳米颗粒电催化剂的缺点是只有暴露在表面的原子才参与反应，所以电催化活性物质可以催化氧的生成，氢还原和水还原反应。

因此，纳米颗粒中的绝大多数原子，在催化反应中是无法得到使用的，因此也会引起一些不良的副作用。相反，单原子电催化剂的概念大约是10年前提出的，由中国科学院大连化学物理研究所的研究人员提出的，这里的概念是在原子尺度上分散金属，从而最大限度地利用贵金属催化剂，所以我们基本上没有不活泼的催化剂，因为我们只有活跃的表面，其巨大的优势还在于在原子尺度上，有非常有趣的量子尺寸效应，我们还利用了不饱和的配位环境，这两个方面都可以提高活性，增加选择性，或者我们对选择性也有一定程度的控制，单原子电催化剂目前存在的问题之一，是它们的合成，可以说许多用于合成单原子的方法，还没有那么好的可扩展性，这是我们OSCAR和牛津大学现行研究的很大一部分内容。 

同时，加深对单原子和基质之间，相互作用的理解，也是绝对必要的。这是我们特别感兴趣的东西，你可以想象，单原子有很大的表面积，它们倾向于结合，特别是在操作过程中，所以更深入地理解单原子和基质之间的相互作用，提出稳定单个原子的策略。并把它们重新置于基质上，是绝对必要的。这样我们才能提高效率并大规模实施，为了实现这些目标，我们利用了非常先进的表征技术，从下面的图片可以看到，它们是非常高分辨率的透射电子和显微镜图像，让我们能够看到单个原子，在尺度上按顺序排列，我们还在做得是利用同步加速器表征技术。特别是，这里我们有X射线吸收光谱，由英国钻石光源研究所收集，这项技术使我们能够研究电催化剂的结构，在本例中，也就是铂的结构，以及它如何在一个参数中演化出不同的电位，这为我们提供了很多关于单个原子、粒子和基质之间互动的信息。从而用4个月研究出如何制定更好的合成策略。

还有一项工作，我相信也是独一无二的。主要是在OSCAR以及与江苏省工业技术研究院合作，即制作我们单原子电催化剂概念的早期原型，能够代表实际电解槽工作原理的原型，这是学术界的一个典型例子，我们很容易将单原子电催化剂直接安装在膜上，但就电催化剂活性而言，这确实起到了一定的作用，因此，我们正在尝试在开发过程的早期，在膜上制造单原子的原型并使用单原子，以便很快为我们的化学发展提供信息，使其有效且可大规模实施，我们的电化学储能实验室创建于2020年，现在已全面运转，拥有一支由科学家和技术人员组成的核心团队，和我一起从事于这些领域，但我们仍在招贤纳士，如果你有兴趣与我们共事或合作，欢迎联系我们，这是我们的联系方式，再次感谢主办方的邀请。让我有机会在第三届未来能源大会上发言，期待很快能够在中国见到大家，谢谢大家！