中国科学院过程工程研究所

企业简介

中国科学院过程工程研究所资源利用及环境优化课题组成立于2009年3月,课题组以科学创建两型社会为己任,秉承从基础研究、应用研究走向科技成果产业化和工艺-装备集成创新的思想,经过近十年的发展,在火法冶金、湿法冶金、生物冶金、化工材料、装备优化等领域开展了一系列的研究和产业化工作,已经打造出一支致力于“环境友好途径下资源利用技术研究”的科研团队。

课题组自主研发的“多面体钛酸锶聚光发电与催化制氢一体化成套技术”项目,核心产品是多面体钛酸锶聚光发电与催化制氢一体化成套装置,核心竞争力主要表现在两个方面:一是在全球范围内首次合成了二十六面体钛酸锶、多面体笼状钛酸锶纳米材料,深入研究多面体钛酸锶的缺陷态形成原因和光载流子转换、分布特性,提出了新的光电子激发态模型。二是课题组基于多面体钛酸锶晶体在不同晶面方向的电荷分布、载流子性质各有不同,实现光电子与光空穴在晶体中的各向异性分布,完美解决六面体钛酸锶仅有紫外波段响应、光致电子与空穴复合率高与光电转换效率低的问题;多面体钛酸锶晶体及其复合材料具有熔点高、晶面多、紫外光利用率高和优异的光电转换性能,可提高光电转换效率至45%以上。

目前,主流光伏晶硅电池的光电转换效率已接近天花板,晶硅组件的实验室最高转换效率为26.7%,量产转换效率约为23~25%,理论转换效率上限为29.3%;而钙钛矿单结电池的实验室光电转换效率为25.7%,理论转换效率可以达到33%。本项目光电转换效率至45%;每克钛酸锶光解水析氢速率6mmol/h,达到STH值为1.15%。本项目采用聚光发电与催化反应制氢系统联动,省去了光伏电池板的大量设备投资、占地,在一套装置上同时具有发电、制氢、储氢切换功能。本项目生产的10MW单套机组造价约为6000万元、100MW约5亿元,发电成本约为0.1-0.15元、制氢成本约8-12元/kg。

项目概况

多面体钛酸锶聚光发电与催化制氢一体化成套技术与装备

多面体钛酸锶聚光发电与催化制氢一体化成套技术与装备

1.项目背景

目前人类面临着能源危机和环境污染等诸多问题,我国未来 15 年中,重要大宗矿产资源消费将在 2025 年前陆续到达峰值,一次能源消费将在 2030 年前后到达拐点,战略性关键矿产资源消费将迎来快速增长期,2035 年中国作为全球能源和重要矿产资源第一消费大国、生产大国和贸易大国的地位和态势将难以改变,需积极应对各种可能的挑战,采用可再生能源代替传统化石能源是解决这些问题的必要途径和发展趋势。

目前太阳能电池中的光电材料普遍使用的是硅材料,晶硅电池的光电能量转换效率较高,但它的制造成本也高,而且在制作过程中需要消耗大量化石能源、产生污染环境的化学物质,于是发展新一代低成本太阳能电池成为了新的目标。经过几十年发展,太阳能电池历经了三代,分别是晶硅、薄膜、新型太阳能电池,钙钛矿电池是第三代太阳能电池的代表。钙钛矿是一种分子通式为ABX3的晶体材料,呈六面体或八面体形状,光电转换效率高,在光伏、LED等领域应用广泛。钛酸锶(SrTiO₃)作为一种典型钙钛矿型半导体材料,广泛应用于精密电子、介电材料、先进陶瓷,以及光催化功能材料行业。

钛酸锶是一种化学稳定性优异的金属氧化物,熔点为2060℃,相对密度5.13,折射率为2.409。钛酸锶晶体中O-2p轨道和Ti-3d轨道杂化导致生成显著的共价键,Sr2+和O2-离子拥有离子键的性质,因此,钛酸锶具有离子共价键的性质,这就导致了其结构的独特性,决定了该物质具有很好的电子材料的性能。钛酸锶拓扑分子极性表面积63.2,单晶钛酸锶基底晶格与大多数钙钛矿结构材料都有良好的晶格匹配性,它是很多氧化物薄膜和高温超导体外延生长的良好基底。

2.项目摘要

项目在全球首次研发成功了形貌可控、光电转换效率超过45%的纳米二十六面体钛酸锶晶体和二十六面体中空笼状钛酸锶晶体的基础上,创新研发了流程简单、能耗低、成本低、易放大且可以发电与制氢一体化的多面体钛酸锶聚光发电与催化制氢一体化成套技术与装备,实现光电转换效率45%和析氢速率6mmol/h,达到STH值为1.15%。

3.团队优势

中科院过程工程研究所段东平科研团队在钛酸锶光电材料合成与光电转换机理上做出了领先业绩,在全球首次研发成功了形貌可控、光电转换效率超过45%的纳米二十六面体钛酸锶晶体和二十六面体中空笼状钛酸锶晶体,并且在二十六面体钛酸锶光电转换上形成了指标领先、成本领先、与国内制造能力匹配的成套制备技术方案。二十六面体钛酸锶具备的熔点高、晶面多、紫外光利用率高、光电转换率高等优势特征,在光伏发电和氢能技术的发展上将展示出独特优势,具有显著的能源、环保和经济效益,是最优质的绿色能源光电材料,因此亟需大力开发钛酸锶在光伏发电和氢能技术上的潜能,将是根本上解决气候问题、雾霾以及酸雨等环境问题的有效手段。

4.项目主要建设内容

建设0.2 MW级多面体钛酸锶聚光发电与催化制氢一体化技术中试线;

建设首条10 MW级多面体钛酸锶聚光发电与催化制氢一体化技术示范线;

建设热电厂升级改造太阳能聚光发电、氢源热力示范基地,形成自主品牌。

5.项目预期可达到的市场价值

本项目2026年底实现批量制造百兆瓦级发电与制氢一体化成套装备的能力,实现年产值5亿元;

2030年底实现全国多面体钛酸锶聚光发电与催化制氢一体化技术总产值100亿元。

6.社会效益

1)有利于地方经济发展和创新基地建设

该项目建成后,将是全球首条0.2 MW级多面体钛酸锶聚光发电与催化制氢一体化示范线以及与热电厂升级改造光伏发电示范基地,将会在短期内形成具有竞争实力的自主品牌,既可迅速在全国各地的太阳能发电、绿氢制备、煤电厂、热电厂复制,又可推广至我国西部的太阳能丰富地区实现产业的升级换代。依靠该项目的关键技术、核心技术实现产业化和规模化后,可以打造一个新型新能源技术的产业模式,在初创公司注册地形成辐射全国乃至全球的成套装备制造企业基地和服务各地需求的发电与制氢技术解决整体方案运营集团,预计在5年后将形成百亿级的产值与估值,在同类市场中起到引领作用。

2)有利于推动“双碳”目标下热电产业平稳升级

在热电、煤电产业升级改造发展方面,要贯彻落实《中共中央 国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》的精神和国务院《2030年前碳达峰行动方案》(国发〔2021〕23号文)的要求,推进经济社会发展全面绿色转型,加快构建清洁低碳安全高效能源体系,对电力产业结构进行深度调整。为实现碳中和,传统的热电、煤电大规模退出历史舞台具有必然性,本项目的实施可直接利用现有煤电厂、热电厂的硬件设施、发电并网、供热输送,有利于完成热电、煤电产业平稳升级,解决原有劳动人员的再就业难题,为社会提供更多就业岗位。

3)有利于统筹平衡经济发展与能源转型

在国际国内“双碳”目标下,相比产业重组退出和节能减排等防御性和适应性反应,光伏发电和氢能技术等绿色技术创新是进取性反应,更能统筹平衡经济发展与能源转型两大目标。绿色技术创新往往能带来减碳目标之外的消费者剩余、能够降低绿色产品溢价、缩小应对气候变化成本,绿色技术创新可以和数字经济紧密结合,带动传统行业的数字化进程,并在当地形成新的产业集群。

4)有利于建设“国际锶研究高地”和“锶高端产业策源地”

段东平科研团队研发的锶元素的增强效应、光电效应、亲骨效应和同位素效应正在逐步展现出巨大的科学价值和产品价值,如果把研发团队直接引入到本地,具备吸引人才和培养高端人才的能力,将引领全国锶高端产业创新升级、增加本地锶产业发展宽度和深度、提升本地高密度创新实力,5年后高值化产业集群将为本地创造100亿元以上的经济效益。

联系方式

姓名:段东平
手机:13901004770

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