中國科學(xué)院院士孫世剛：氫能電化學(xué)關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)及其研究
圖為中國科學(xué)院院士孫世剛作主旨發(fā)言
8月25日，“2023氫能與燃料電池技術(shù)及應(yīng)用國際峰會”在中國上海召開，中國科學(xué)院院士孫世剛出席開幕式并做主旨發(fā)言
以下是發(fā)言內(nèi)容文字記錄，未經(jīng)嘉賓審閱：
孫世剛：感謝秘書長的介紹，很高興受大會組委會的邀請參加這個論壇，我想說我是第一次參加中國電池工業(yè)協(xié)會的會議，雖然我做電池做了好多年。
剛才劉理事長和彭院士把一些大的背景講了，我就講講里面的一些跟電化學(xué)相關(guān)的一些核心技術(shù)，怎么來創(chuàng)新發(fā)展。我想這個跟燃料電池，跟我們的主題要持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展非常關(guān)鍵。
我就講下面幾個方面，首先我們知道氫能很重要，一個是助力碳中和，一個是調(diào)節(jié)能源結(jié)構(gòu)，構(gòu)建氫能社會。剛才兩位領(lǐng)導(dǎo)都講了很多，氫能全產(chǎn)業(yè)鏈其實(shí)很長，從制氫到高密度的儲運(yùn)氫到應(yīng)用，用氫其實(shí)一個方面在工業(yè)里面用的很多，其實(shí)我們剛才談到每年是2000多萬噸氫氣的產(chǎn)量，但是大部分是用在工業(yè)。
我們在燃料電池里面，應(yīng)用交通還是很少的一部分，但是它是未來發(fā)展的一個重要的方向。我們國家氫能的需求，剛才彭院士講了這個后面會越來越快，這里面的關(guān)鍵技術(shù)跟電化學(xué)相關(guān)的其實(shí)有兩個方面。
在電化學(xué)里面來看，一個是能量轉(zhuǎn)化，我們把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)成電能，比如說我們在燃料電池做一個化學(xué)發(fā)電機(jī)，我們氫是當(dāng)中的一種燃料，還有其它燃料，直接轉(zhuǎn)成電能，這也是人類歷史中第四種發(fā)電方式。
第二種是電化學(xué)能量儲存，這個儲存就是把電能存儲到分子的化學(xué)界里面，我們的電解水變成綠氫當(dāng)中的一種，還可以把二氧化碳還原成燃料，把氮加氫變成氨。
通過電解水來制綠氫，通過燃料電池用氫，這是構(gòu)成了氫能的核心技術(shù)，這是電化學(xué)的核心技術(shù)。它的優(yōu)勢就是通過化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，是直接轉(zhuǎn)換，不受熱力學(xué)卡諾循環(huán)的限制，轉(zhuǎn)換效率高、排放少、可靠靈活。
這里面存在一些挑戰(zhàn)。首先制氫，從制氫來看，我們說從目前來看大部分還是我們的化石能源制氫，成本還是比較低，我們國家2000多萬噸的產(chǎn)能，但是我們的電解水制氫只占4%左右，很大一個限制就是成本高，我們制氫的裝置，我們電的成本高這是一個大的限制。
從電解水制氫里面還有好幾個方中，比如說堿性是傳統(tǒng)的，酸性制氫，包括PEM制氫，還有復(fù)工復(fù)產(chǎn)氯堿工業(yè)，還有很多工業(yè)光助制氫，比如說高溫電解制氫，比如剛才講的高溫燃料電池的電解器。
在各種制氫里面大家看到，其實(shí)目前來看低溫制氫和酸性電解質(zhì)制氫能量效率是最高的，而且溫度也是相對比較低的，這樣的話有很好的優(yōu)勢。但是也帶來一些挑戰(zhàn)，比如說優(yōu)勢，比如說不需要電解質(zhì)等等，有一些挑戰(zhàn)在里面，最關(guān)鍵的還是他的金屬和催化劑。我們用酸性制氫和電解質(zhì)制氫是用貴金屬催化劑，帶來一個資源的限制。
但是現(xiàn)在發(fā)展是堿***換膜制氫，就不需要貴金屬，但是這個膜還沒有解決，還是一個發(fā)展的方向。
但是在這里面我們講到能耗的問題，能耗從熱力學(xué)的角度來看，我們電解制氫理論的電壓是1.23伏，是一個熱力學(xué)平衡電位，沒有電流產(chǎn)生、沒有氫產(chǎn)生的時候1.23伏，一旦我們有氫氣產(chǎn)生，我們這個槽壓就會大于1.23伏，隨著制氫的速度越快，槽位越大，這樣勢必消耗很多電能在制氫當(dāng)中，因?yàn)槌藲錃怅帢O產(chǎn)生，氧氣還得產(chǎn)生氧，所以這里邊存在氧氣和氫氣還得分離，否則不安全，所以其實(shí)帶來對它的制約。
我們怎么把能耗降下來，能獲降下來的目的就是我們把能量降下來，把成本降下來，能耗降下來電的成本就降下來，就用更少的電產(chǎn)生更多的氫能。
一種方式就是跟小分子氧化的偶聯(lián)，我們在陰極產(chǎn)氫，陽極用一些小分子氧化，比如說通過乙酸根氧化到乙烯、氧化到苯醌、甘油醛等等這些方式耦合。但是耦合的話，槽壓會降低，但是降低的還是有限，而且我們希望在陽極還可以分離變成一些高附加值的東西，給分解帶來難點(diǎn)，因?yàn)殡娊馄骼锩娴脑O(shè)計(jì)，因?yàn)橐话銖难趸锢锩嬉糜袡C(jī)電解質(zhì)。氫是水電解質(zhì)這個還有一些裝置的空檔，一種新的方式就是我們剛發(fā)表的文章，我們提出一個專利，其實(shí)我們可以用一種犧牲陽極的方式偶聯(lián)電化學(xué)制氫。
對于一些陽極本身可以在很多地方產(chǎn)生氫氣，我們就可以通過新陽極耦合使得我們的槽壓降得很低，比如說我們用鐵做一個犧牲陽極的話，在他的槽壓，如果在0.6伏達(dá)到350毫安每平方厘米的話，工業(yè)極的電流的時候，只要0.6伏的槽壓。通常我們是2伏或者更高的電壓，所以這個電壓降0.1伏就帶來一個很大的能量節(jié)省。
如果電壓在中心的話，只要0.15伏就到上面的槽位，所以這是一個很大節(jié)能的方式。還有一個好處就是說，由于我們在這個過程當(dāng)中，它的陰極是產(chǎn)氫，陽極也產(chǎn)氫，所以這個電解槽里面只產(chǎn)氫氣，不光是把電能的損耗降下來，而且不帶來陽極氧氣分離過程，所以這是全新的分子模式。
同時我們在耦合一些有更高價值的產(chǎn)物，比如說我們用鐵，這個過程當(dāng)中我們會產(chǎn)生磷酸鐵鋰的前驅(qū)體，我們同時產(chǎn)氫還可以新能源的正極材料。這個過程我想是一個全新的方式，但是在工業(yè)化還要做裝置的設(shè)計(jì)，還有很多一些從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)還有一個過程。
另一個就是氫氣儲存技術(shù)，需要遠(yuǎn)距離輸入氫氣，比如說通過壓縮空氣固態(tài)儲氫、液體儲氫。比如說通常我們在汽車?yán)锩嬗玫?，目前用?00大氣壓的氫氣罐儲氫。比如說豐田這個車用了三個罐儲了差不多5.6公斤可以跑850公里，液態(tài)除氫可以通過一些把氫氣加到分子里面，比如說我們把氫氣加到甲苯里面，加三個輕分子變成環(huán)己烷變成液態(tài)，我們運(yùn)輸?shù)狡渌胤饺ゾ头奖懔耍梢栽侔阉尫懦鰜恚妆阶鲆粋€載體，可以做大規(guī)模的儲氫運(yùn)輸就更方便了。
一些新的技術(shù)，比如說我們基于吸附方式來儲氫的話，比如說化學(xué)物理吸附通常是泛載的話吸附，建能差不多1-10的kj/mol，這樣一個能量比較容易釋放，也可以在低溫下進(jìn)行結(jié)晶，所以一般來說也是比較低的，但是儲氫的密度是比較低的，密度是化學(xué)吸附?；瘜W(xué)吸附能可以大約100個kj/mol，所以這樣的話它有很高儲氫的目的，但是要把它釋放出來，我們同樣跟他的能量，這樣帶來說雖然說除氫密度大，但是還要消耗能量。
第三種方式就是現(xiàn)在正在研發(fā)的Kubas儲氫，Kubas它的吸附能力介于化學(xué)能和物理能之間，大概20-60個kj/mol，但是它有很高的儲氫的密度，而且很容易釋放。
比如說用這種氫化物，可以到10.5各重量密度的儲氫密度，也就是可以到197千克的每平方厘米氫氣的儲氫密度，而他只要120個大氣壓25度就可以很容易釋放出來，遠(yuǎn)高于目前一些比如美國能源部的要求。但是這些新的技術(shù)還在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)，還沒有到應(yīng)用的階段，還需要共同往前面推進(jìn)。
第三個講燃料電池，燃料電池我們說剛才裴院士講的，這是目前重要應(yīng)用的方向。燃料電池其實(shí)在很多方面的應(yīng)用，比如說載人航天，包括生物醫(yī)療、邊緣地區(qū)等等，很重要的就是電動交通，除了我們的汽車以外，艦船、飛機(jī)都是在一些示范，比如說德國初創(chuàng)的公司，去年已經(jīng)商業(yè)化運(yùn)行4座燃料電池飛機(jī)。
對于燃料電池我們講，車用燃料電池最大的挑戰(zhàn)就是，因?yàn)樗鼘τ诖呋瘎┑囊笫窃谝叩幕钚?，同時要高的穩(wěn)定性，我們是要長的壽命，但是他們的工作環(huán)境還是在一些強(qiáng)酸強(qiáng)堿里面，一定的溫度，對催化劑的要求很高，目前大家用的氫能燃料電池還是用鉑基金屬，最大的限制就是資源是非常稀少的。鉑基金屬90%在南非，百分之七點(diǎn)多在俄羅斯，加拿大、美國大概有2-3%左右，我們國家只有0.3%，所以儲量是非常大的限制。
由于儲量稀少，價格也是比較高的，最大的挑戰(zhàn)目前來說還是催化劑，剛才包括李司長也講了很多方面，甚至包括磅這些都是的。但是從最根本來看，催化劑還是最根本的挑戰(zhàn)，膜和催化劑。這里面包含兩個方面，比如說現(xiàn)在研發(fā)的前沿有兩個方面，我們目前還不可能不用鉑，我們怎么把它的鉑基催化劑的性能提上升，把鉑的利用率提高，實(shí)際上就需要提升它的效率、催化活性。
第二個方面就是從我們能不能開發(fā)一些非貴金屬催化劑，比如說用鐵、鎳資源比較多的金屬，甚至不用金屬用碳，這些都是在研發(fā)的前沿。我分別做一點(diǎn)介紹，一個途徑就是減少濾金，從上個世紀(jì)60年代載人航天的時候當(dāng)時用了每平方厘米大概幾十個毫克的鉑，大家想每平方厘米幾十毫克，毫克是很少的，但是可以用到多少平方米的電極，實(shí)際上載人就高了。所以這些年通過降低濾金的方式一直在降低它的用量載量，到現(xiàn)在大概零點(diǎn)幾個毫克，但是零點(diǎn)幾個毫克還是很大的。
我們希望說我們現(xiàn)在每一個汽車，我們的燃油車都有一個催化劑，催化劑里面都有用到貴金屬作為催化材料，每個車用多少呢？大概用到6-8克，現(xiàn)在最先進(jìn)的比如說風(fēng)電車的燃料電池車也用到40克，還有好幾倍的空間減少。如果我們能夠降到跟我們的汽車尾氣相當(dāng)?shù)脑挘覀冦K的資源就不是問題了，我們可以完全用鉑出來就可以，但是實(shí)際上我們還做不到。所以我們怎么樣提升燃料電池催化劑效率的話，除了降低尺寸的時候，其實(shí)我們另外也想著我們保持幾個納米，比如說買的催化劑都是3-5個納米，怎么通過表面結(jié)構(gòu)的調(diào)控實(shí)現(xiàn)性能的提升。
這里面就涉及到很基礎(chǔ)，就比如說我們知道說構(gòu)效規(guī)律，就是結(jié)構(gòu)和性能是一個什么樣的關(guān)系。舉一個例子，比如說我們可以通過單金作為一個模型催化劑來看，不同的金面是有不同的結(jié)構(gòu)不同的結(jié)構(gòu)對同類的反映就不同的活性，基本的規(guī)律就是，比如說高直徑的有更高的活性，我們仔細(xì)看就形成了一些催化活性中心。
這樣一個演進(jìn)告訴通過模型催化劑我們得到的是一些基礎(chǔ)的認(rèn)識，活性中心是幾個原子組成的，有立體結(jié)構(gòu)的叫活性中心。從基礎(chǔ)的角度來看，實(shí)際上催化劑表面結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，我們能不能把這種概念、知識轉(zhuǎn)移到實(shí)際催化劑上去，我們控制催化劑的表面結(jié)構(gòu)，讓表面結(jié)構(gòu)就是我們所希望的催化活性中心的注冊，如果達(dá)到這一點(diǎn)活性性能還可以大幅度的提升。
怎么做這個事情呢？我們就想到說控制催化劑的表面結(jié)構(gòu)，我們得到的高活性中心的表面結(jié)構(gòu)，我們成為高速基面的催化劑，就可以很好的活性和穩(wěn)定性。
這個工作其實(shí)我們從2007年發(fā)表后一直在推進(jìn)，比如說有不同的金屬有不同催化對象，我們有不同的反應(yīng)，甚至改變表面的電子結(jié)構(gòu)等等。這樣的工作，我們在國際上也是一定的前沿，我們這些年不斷有新的進(jìn)展在發(fā)表，而且把它用到很多的領(lǐng)域，比如說電催化領(lǐng)域、光催化領(lǐng)域、熱催化領(lǐng)域都得到了很好的應(yīng)用。
我們也通過電化學(xué)方法可以控制表面的結(jié)構(gòu)，通過不同的形狀的改變得到不同的結(jié)構(gòu)，從而得到不同的活性，針對各種反應(yīng)。
在燃料電池應(yīng)用上看，一個是我們把它作為陰極的催化劑，它跟酸性催化劑有更好的穩(wěn)定性。另一個我們也可以把它做成陽極，把它首先在碳質(zhì)上合成高速鏡面結(jié)構(gòu)的催化劑，把它做成膜電極，然后再去做燃料電池，陰極還是用的鉑碳催化劑商業(yè)化的，但是陽極的話可以看到載量只有差不多0.069毫克每平方厘米，但是我們同樣做燃油電池輸入功率比1mg還高了很多，而且相當(dāng)于汽車尾氣催化劑的載量。
我們也做了一些規(guī)?；苽涞募夹g(shù)，這些技術(shù)主要是申請專利，包括中國專利、日本專利、美國專利、歐盟專利等等。
最后一個談一下非貴金屬催化劑，為什么大家非貴金屬催化劑這么引起重視呢？因?yàn)樵谀壳暗娜剂想姵乩锩妫枠O氫氧化動力學(xué)很快，我們不需要太多鉑去催化它，但是陰極的氧活動力學(xué)是很慢的，所以我們需要更多的鉑催化這樣的反應(yīng)。也就是說90%的鉑用到陰極催化劑里面，如果我們用非貴金屬催化劑取代陰極的鉑催化劑，我們把鉑的成本大幅度的降低下來。
大家想到比如說在60年代的時候就發(fā)現(xiàn)說一些金屬大環(huán)化合物、金屬氧化物，他們都有對氧還原的性能，但是這些都在液項(xiàng)里面，催化劑其實(shí)是固態(tài)需要在表面上，我們怎么把它做成表面上，后來通過熱解的方式到現(xiàn)在性能一直在提升，目前最好的還是金屬氮、碳這三種復(fù)合材料的催化劑。
目前存在幾個挑戰(zhàn)就包括活性，活性還是不夠，活性還需要進(jìn)一步提升。目前我們有同樣的質(zhì)量催化劑，它的活性只有鉑碳的二十分之一，活性還達(dá)不到我們的需求。
第三個起來就是穩(wěn)定性，因?yàn)榉€(wěn)定性很重要，因?yàn)檫@種非貴金屬催化劑穩(wěn)定性一直是一個挑戰(zhàn)，也說我們一般運(yùn)行大概在100個小時以后就會降低50%，所以穩(wěn)定性有很多種原因，不光是催化活性中心的穩(wěn)定性，還包括傳輸、碳的腐蝕等等，這里面就涉及到很多科學(xué)和工程技術(shù)問題。
第三個方面就是對他的衰減的機(jī)理，因?yàn)槲覀冎挥邪阉臋C(jī)理認(rèn)清楚了，我們才能采取措施來防止他，或者提升它的穩(wěn)定性。這里面有很多種結(jié)論、爭論還沒有完全定論，這里面還是一個正在研究、深入研發(fā)的過程。
從我們團(tuán)隊(duì)來看，我們首先是通過來設(shè)計(jì)高效的非貴金屬催化劑，通過來符合活性位點(diǎn)，通過調(diào)控應(yīng)力調(diào)控，通過配體調(diào)控提升活性中心催化性能。
另一方面其實(shí)跟界面的傳輸、反應(yīng)過程，包括質(zhì)量過程，在燃料電池里面相當(dāng)于化工廠，除了三床反應(yīng)外，還有我們的電荷的傳輸通道，所以要兼顧各種傳輸通道的有效的匹配，而且界面要怎么來更穩(wěn)定更好的，這個是需要做的。
通過這樣一些研究以后，還調(diào)控傳輸通道、強(qiáng)化傳輸過程，也就是說通過一些構(gòu)筑穩(wěn)定商業(yè)反應(yīng)界面，通過提高輸水的氣體通道等等，進(jìn)一步提高性能。
通過這樣一些發(fā)展以后，我們團(tuán)隊(duì)其實(shí)在非貴金屬把它燃料電池以后，我們是不斷地在刷新國際的記錄，大家都在不斷提升輸出功率密度，用于非貴金屬設(shè)計(jì)，我們到了19.1瓦每平方厘米。
講到這個想做一個簡單的結(jié)論，氫能電化學(xué)技術(shù)包括了電解水制綠氫，設(shè)計(jì)和開發(fā)更高活性、更高穩(wěn)定性的催化劑，是推動其快速發(fā)展關(guān)鍵。其中非貴金屬催化劑是重要的研究前沿。另一方面我們在燃料電池氫能里面，我們不光是要注重工業(yè)的發(fā)展，我們要釋放氫能港等等，我們其實(shí)還要更加關(guān)注原創(chuàng)性的研究，要探索一些新原理，發(fā)現(xiàn)新機(jī)制、構(gòu)建新體系，只有這樣我們才能夠不斷推進(jìn)我們氫能持續(xù)發(fā)展。
最后我想說，非常感謝我們這個團(tuán)隊(duì)參與的老師和同學(xué)，還有我們一些基金的支持，最后感謝大家的聆聽，謝謝。
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