第13届中国汽车论坛12:探索氢能多元化应用和商业化发展

由中国汽车工业协会主办的第13届中国汽车论坛于2023年7月5日至7日在上海嘉定举行。本次论坛以“新时代”为例 新使命 以新动能-帮助建设现代产业体系为主题，设立“一闭门峰会” 1个大会论坛 16个主题论坛 “N场发布”共有18场会议和多项发布、展示、推广等活动，旨在凝聚各方力量，形成发展共识，为建设现代产业体系贡献汽车产业的智慧和力量。其中，7月7日下午举行的“主题论坛12:探索氢能多元化应用和商业化发展”崔香枝，中国科学院上海硅酸盐研究所教授发表精彩演讲。以下内容为现场演讲记录：

各位领导，大家好！非常感谢组委会的邀请，让我有幸向大家汇报一些关于氢电转换关键材料的研究。

我所做的与领导和企业领导刚刚报告的不同。我主要关注电解水制氢和氢燃料电池中的核心催化剂材料。今天，我将重点介绍电解水制氢的催化剂材料。

在介绍之前，让我们简单地谈谈我们的团队。我们的团队属于中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室的研究小组，称为介孔和低维纳米材料小组。我们研究小组的研究方向集中在两个方向：

1、纳米催化医学是肿瘤治疗的新策略。

2、电催化应用包括电解水制氢、氢燃料电池等相关研究。

氢是目前缓解能源危机的清洁能源载体，可用于储能或发电。氢和电实际上是一个家庭。氢燃料电池只是许多氢用途中的应用方向之一。

一、电解水制氢技术背景

氢气在缓解能源危机或实现国家“双碳”战略目标方面具有巨大潜力。从全球来看，氢的用途非常大，2020-2050年呈指数级增长，更说明氢的需求非常大。对中国来说，上层设计和下层解决方案都非常重视氢能的发展，这些具体数字不再阅读。刚才，领导们做了详细的描述。总的来说，氢在全球和中国都有很大的市场需求。

既然这么大，目前的制氢方法是什么？有传统的煤制氢、甲醇制氢和电解水制氢。（如图所示）这不是最新的数据统计数据，但也代表了整体制氢百分比。与传统的制氢方法相比，电解水制氢可以通过风和光发电。我们称之为绿色电驱动的制氢方法。这种电解水制氢最有可能成为整个产业链零排放的制氢方法。

我们还可以从国际氢能联盟的报告中看到，我们再次强调电解水制氢，即由风光发电驱动的电解水制氢，是实现整个产业链零排放的唯一途径。如图所示，我国对电解水制氢的需求。新客人有更新的数字，这里不再重复，充分说明了我国对电解水制氢的重要性和需求。

二是电解水制氢的关键问题

目前，电解水制氢仍存在一些问题。首先，从其成本分析可以看出，电费成本最高，占80%以上。要想推广电解水制氢技术，首先要降低成本。如何降本？从电解水制氢的原理出发，在电压的作用下，水在催化剂的作用下分解，即阳极侧在催化剂的作用下产生氧气，阴极侧也在催化剂的作用下产生水还原和氢气。目前，贵金属催化剂完全用于阴极分析氢和阳极氧化，贵金属和贵金属氧化物的价格成本相对较高。为了降低电解水制氢的成本，开发高效、低成本或非贵金属催化剂是非常重要的。

刚才有嘉宾讲过碱性制氢，目前碱性制氢比较成熟。目前碱性水解槽的能耗相对高于酸性PEM电解槽，但技术相对成熟。PEM电解槽的成本相对较高，因为它需要贵金属催化剂，但也有其优点，如结构相对紧凑，效率相对较高。目前国外PEM电解槽已初步形成规模，我国仍处于小试化阶段。

另一种是高温SOEC制氢，需要几百度的高温。每种制氢方法的应用场景不同。今天，我将重点关注碱性制氢和PEM制氢的关键催化剂材料。

与两种制氢方法相比，碱水制氢需要在大电流密度下提高催化剂的催化活性和稳定性。酸性电解水制氢仍需开发一些低成本、高效的催化剂。

三、碱性电解水催化剂研究进展

碱性电解水制氢催化剂的进展包括阴极催化剂和阳极水氧化。基本分为两类：

1、阴离子膜催化剂采用粉末催化剂。

2、目前用于多孔膜碱水制氢的自支撑催化剂。也就是说，根据碱水制氢中使用的不同隔膜，可以选择不同类型的催化剂。

对于粉末催化剂，我们选择了镍铁的层状金属氢氧化物，由于时间关系，材料的具体制备方法并不多。为了减少水氧化的过电位，我们在二维纳米板上负载镍铁的纳米板材料。过电位是能耗参数之一。在实验室阶段，我们称之为过电位。使用镍铁LDH非贵金属催化材料，过电位可显著降低，平均法拉第效率可达96%。与报道的类似催化剂相比，我们处于领先地位。

阴极氢分析也进行了研究。首先，我们开发了一种自活化方法，即首先激活磷化钴的纳米板材料。预激化后，磷化钴的氢分析性能显著提高，甚至在一定电位下超过商用铂碳催化剂。催化剂材料的稳定性仍在优化中。

由于催化剂材料必须在一定的电位下超过铂碳，我们想知道是否可以进行更好的设计。我们认为碳化钨具有良好的氢吸附能力，但吸附太牢固不利于氢的产生和沉淀，所以我们想出一种方法，是引入钴来调节氢的吸附和脱附能力，因为氢的沉淀过程既吸附又脱附，保持最佳的氢吸附和脱附平衡，有利于氢的沉淀。我们想到了一种将钴塞入含钨的纳米笼孔中的方法，从而制备了钴与碳化钨混合的钴六钨六碳的碳化钨材料。

正如我们所想，这种材料的氢分析性能可以相当于铂碳催化剂，由于实验室条件有限，稳定性测试时间相对较短，但也可以解释一些问题，这就是我今天来报告的原因，我们的实验室开发催化剂，希望与一些企业有交叉点，进一步研发催化剂。

这是一个产氢视频。目前实验室只能单体，工业上很多小房间的电解槽还没有实现。

对于钴六钨六碳催化剂，我们还模拟了氯碱溶液在不同温度条件下在氯化钠和氢氧化钠混合溶液中的制氢。当电流密度达到1A/平方厘米时，发现该材料的过电位仅为200mV，表明其功耗相对较低。

此外，我们还生产了自支撑催化剂，重点是纳米阵列催化剂，如磷化钴镍的纳米阵列，当电流密度达到1A/平方厘米时，过电势为280mV。当我们将钨引入磷化钴时，与刚才的磷化钴镍纳米阵列相比，制备的材料可以进一步降低氢分析的过电位。如果达到1A/平方厘米，其过电位将降低到210mV。

此外，我们优化了氢催化剂的活性位点，使活性位点不断暴露，使材料在900mA/平方厘米的大电流密度下基本稳定运行1000多小时。在实验室中，这是一个很好的数据，我们仍在优化和测试中。

四、酸性电解水催化剂

我们专注于开发一些低铂载量的催化剂。PEM催化剂是粉末类型。首先，我们开发了低铂载量，如氧化钨上的负载铂。由于氧化钨具有氢溢流作用，促进了氢分析，减少了铂的用量。催化剂中铂的用量为3wt%。虽然我们取得了一定的效果，但并不令人满意，因为它的氢分析性能必须超过一定的电位才能与铂碳相媲美。因此，我们改变了载体，即使用表面上丰富官能团的载体，这些官能团可以捕获铂纳米颗粒，使铂纳米颗粒均匀分散到载体上。因此，我们使用硅氧烯制备了PT纳米颗粒均匀分散的催化剂，硅氧烯表面富含羟基官能团。其氢分析性能超过20%铂碳的氢分析性能。当过电位为100mA/平方厘米时，氢分析过电位为130mV，可与商用催化剂媲美。制氢法拉第具有良好的效率和稳定性。

除了贵金属铂，可以用更便宜的吗？由于价格接近铂的1/10，我们想到使用它。此时，我们将氧化钨载体与非化学剂量比结合在一起，由于其负载相对较小，因此其质量活性相对较高。同时，我们也发现，虽然其质量和活性很高，但其在设备上的性能并不令人满意，因为它与氧化钨载体的相互作用尚未充分发挥。因此，我们想出了继续优化的方法，即在氧化钨基体中引入氮，通过氮的电子调节来提高催化剂的性能，使材料在酸性、中性和碱性环境中具有良好的氢分析催化活性。

在催化剂核心膜电极的研究中，我们掌握了CCM催化剂和膜一体化的制备技术，实现了300平方厘米催化剂和膜一体化的成功制备。

五、展望与未来思考

1、对于碱水制氢，应优化非贵金属催化剂的电催化性能，特别是在电解槽中的长期稳定性。

2、酸性电解水应发展出非常稳定的低/非贵金属催化剂，以提高制氢法拉第的效率。

3、为了实现大面积工程电极的制备，形成稳定的批量催化剂制备技术是催化剂研究中最重要的。

4、提高制氢法拉第效率和制氢纯度，降低电解水制氢能耗。

以此为目标，使我们的研究工作有了更好的发展方向，也希望通过今天的报告，能够与一些企业进行合作。

感谢我们的研究小组组长石先生，以及我带来的一些学生，以及国家自然基金和其他项目的支持，以及我们的合作单位的帮助和支持，谢谢！

(注:本文根据现场速记整理，未经演讲者审核)