从工厂到汽车，“移动制氢”困局尚待破解

近日，中国科学院固体物理研究所李越研究员课题组，运用简单的两步水热法，组装成具有分级结构的异质全解水催化剂。这种纳米催化剂具有优异的全解水活性，在较低的电压和电流下持续工作100小时，没有明显的衰减，证明其稳定性非常好，为开发低成本、高活性的双功能电解水催化剂提供了有效的设计思路。
氢能经济是20世纪70年代提出的可持续能源方案，以用之不竭的太阳光驱动，把水分解为氢气和氧气。而氢是一种清洁能源，燃烧生成水，不会产生任何污染物。
“能否用水制氢来开汽车”备受关注
化石能源制氢、工业副产氢、电解水制氢，是当前主流的三大制氢路线。“制氢的方法有很多种，除了上述三大技术路线，还有活泼金属与水反应、重整甲醇制氢等，关键要看经济性。”近日，中国科学技术大学化学与材料学院孟广耀教授告诉科技日报记者。
我国作为世界第一产氢大国，年产能超过2000万吨。煤、天然气、石油等化石燃料生产的氢气占了将近70%，工业副产气体制的氢约占30%，电解水占不到1%。
人们更多关注的是“能否用水制氢来开汽车”。除去前段时间网上谈论的铝粉还原制氢外，近年来，重整甲醇制氢逐渐进入人们的视野。
“这相当于把制氢的过程从工厂移到了汽车上。”孟广耀告诉记者。他介绍，甲醇和水的蒸气进入重整室通过高温(约250℃)反应后，最终产物是二氧化碳和氢气，成分比例1∶3，但氢气中会掺杂着微量的一氧化碳。经过气体提纯后，高纯度的氢气进入燃料电池系统中，一氧化碳经过氧化后与二氧化碳一同排到大气中。氢气进入燃料电池系统后，后续过程与普通的燃料电池汽车无异。
相比建设和运营加氢站网络，甲醇重整仅需要在加油站的基础上增加甲醇水加注功能，设备更换成本低，操作方便，似乎更易让人接受。但是，甲醇重整过程得到的氢气包含一氧化碳等有毒气体，需要提纯并降温(从超过200℃降到约80℃)，这就要投入额外的设备。
“要应用到小轿车上，在装置体积受限的情况下，输出的功率是不够的。另外，一氧化碳还是强氧化剂，极易使氢燃料电池中的催化剂‘中毒休克’，从而减少燃料电池堆的使用寿命。”孟广耀说，甲醇重整燃料电池汽车在带来使用便利的同时，却重新带来了碳排放和尾气问题，这似乎违背了使用氢能源的初衷。
新技术不断涌现，实际应用尚需时日
“氢能时代”的大门半掩半闭，难以走进人们的生活。对此，科学家从未停止过努力，近年来我国科研人员的成果尤为抢眼。
除去成本因素外，一个重要原因是氢气的收集和存储上的诸多技术瓶颈。对此，中国科学技术大学罗毅教授领导的研究小组于2017年7月提出了首个光解水制氢储氢一体化的材料体系设计，相关成果刊登在《自然·通讯》杂志上。
水解制氢的另一技术障碍在于催化剂的昂贵和低效。2019年4月，《自然·催化》杂志以封面文章的形式，报道了中国科学技术大学吴宇恩教授课题组运用创新工艺，研制出一种廉价、高效的新型钌单原子合金催化剂。相比市场上的商业钌基催化剂，这种新型催化剂的过电位降低了大约30%，稳定性提高了近10倍，为推进“电解水制氢”的工业化应用迈出重要一步。
2019年5月，浙江大学侯阳研究员团队设计并开发出一种廉价新型催化剂，可模拟光合作用，将水裂解制备出氢气。这种催化剂可将制备成本降低80%以上，将驱动反应的能量降低5%，具备工业级电解水制氢的潜能。这项成果也发表于《自然·通讯》杂志。
“清华大学、上海交大、大连化物所等单位此类世界级的成果也有不少，使得氢能的高效低成本应用路径更加明晰起来。”孟广耀表示，这些实验室的成果还需经历技术成熟检验、工程化开发，更需要规模应用场景、产业链和相关政策的配套，实际应用尚需时日。