大連化物所陳萍：氨與儲氫 2016-12-01 15:05:32
摘要：2016中國國際能源峰會(hui) 暨展覽會(hui) 於(yu) 2016年11月28日-30日在北京國家會(hui) 議中心召開。大連化物所潔淨能源實驗室氫能部部長陳萍在儲(chu) 氫及加注分會(hui) 場作了“氨與(yu) 儲(chu) 氫”報告。
以下為(wei) 陳萍作報告的文字實錄：
陳萍：我們(men) 實驗室定位基礎研究，還有一個(ge) 就是應用基礎研究。我個(ge) 人一個(ge) 研究就是技術研究，所以，我不知道今天講的對不對大家的胃口。現在開始，想和各位老師，企業(ye) 界朋友探討一下氨。我分4個(ge) 部分，首先介紹一下這個(ge) 載體(ti) ，接下來介紹一下研究團隊，就是這個(ge) 氫化物，還有氨作為(wei) 載體(ti) 方麵一些研究進展。這個(ge) 是非常具有挑戰性的一個(ge) 課題。剛剛他們(men) 介紹了這個(ge) 高壓的業(ye) 態氫，我也是注意到了，很多的企業(ye) 對於(yu) 高壓氣瓶，對於(yu) 這個(ge) 非常的感興(xing) 趣。但是我們(men) 學術界除了這兩(liang) 個(ge) 方麵以外。其實還有一個(ge) 材料，就是什麽(me) 呢？就是學術界比較關(guan) 注一個(ge) 對象，因為(wei) 這個(ge) 材料他具有比較高的一個(ge) 體(ti) 積密度。剛剛蔣老師講的一些情況。
比如說，這個(ge) 重量百分比13.6%，這個(ge) 是非常高的。但是，這些材料也是有他的缺點，比如說，就是這個(ge) 就是脫氫溫度非常的高。這個(ge) 不可以滿足這個(ge) 車載這個(ge) 要求。美國這個(ge) 2020年這個(ge) 目標，這個(ge) 就是5.5%，但是，這個(ge) 5.5%就是指係統的能量的氫含量，如果考慮 材料，這個(ge) 是達到11%左右。所以，很多的這個(ge) 氫化物沒有辦法美國DOE的目標。另外一個(ge) 方麵，就是什麽(me) 呢？就是也是可以氣態，也是可以業(ye) 態形式儲(chu) 存下來。比如說甲烷，大家都是很熟悉，天然氣，天然氣氫含量很高，25%的重量百分比，這個(ge) 接下來介紹一下研究團隊，就是在這個(ge) 裏麵，就是這些氫化物，這個(ge) 作為(wei) 載體(ti) 方麵一個(ge) 研究進展。我們(men) 研究團隊就是2002年的時候，就是報告了一下，這個(ge) 就是可以在上麵一個(ge) 行為(wei) 。這個(ge) 過程是什麽(me) 呢？這個(ge) 過程就是很簡單，就是這個(ge) 氫氣反映，就是這個(ge) 就是氨機理這些材料，這個(ge) 過程就是這樣一個(ge) 過程。但是，這個(ge) 缺點都是溫度比較高。這樣的話就可能形成了一個(ge) 形成一個(ge) 複合材料，左邊這些材料。他們(men) 都是含有這個(ge) 。而右麵這些材料呢？比如說，氨機理，井這些都是含有正氫。將這兩(liang) 個(ge) 材料符合了以後，都是根據正氫生成氫氣一個(ge) 原理，都是可能具有這個(ge) 性能的。而我們(men) 的試驗就是表明了，這些複合材料具有一定的性能。在這個(ge) 材料設計裏麵指導下，我們(men) 開發了一係列的新型的材料體(ti) 係。比如說，這個(ge) 金屬這個(ge) 。這個(ge) 安合物，還有緊合物等等。大家看到有黃色的標記，還有白色標記。這個(ge) 什麽(me) 區別？這個(ge) 黃色標記這些材料，他的這個(ge) 氫量比較的低。一般就是8%以下。但是，這個(ge) 優(you) 點，是可逆的一個(ge) 。這個(ge) 白色的標記這些材料，大家可以看到，這個(ge) 含量可以比較的高，最高的就是15%。但是，什麽(me) 缺點？不可逆的。但是，什麽(me) 意思？這個(ge) 脫氫了以後就不可能加氫，所以，就是一次性的這個(ge) 氫的載體(ti) 。這些組成上麵來看有一些共同特點，都是含有氮元素。我們(men) 都是知道，這個(ge) 就是組成的。工業(ye) 上麵用的這個(ge) 催化劑，這個(ge) 裏麵都是有含有堿金屬。他們(men) 兩(liang) 者有什麽(me) 關(guan) 聯呢？這個(ge) 是我們(men) 在思考的問題。這個(ge) 能量密度，除了核能以外，這個(ge) 煤和石油具有非常高的重量和體(ti) 積密度，這個(ge) 就是為(wei) 什麽(me) 煤和石油是我們(men) 當前社會(hui) 主要的能源載體(ti) 。我們(men) 還可以看到，就是這個(ge) 氨具有非常重金的能量密度，這個(ge) 是氨一個(ge) 優(you) 勢。這個(ge) 有很高的氫含量。這個(ge) 也是容易很多的。
那麽(me) ，還有很重要的一點，就是什麽(me) 呢？就是我們(men) 可以看到就是氮氣和氫氣組成的。不含有炭，這個(ge) 不含有溫室氣體(ti) 的。那麽(me) ，還有一點，就是什麽(me) 呢？我們(men) 學術界和工業(ye) 界考慮這個(ge) 問題了，他們(men) 也是設計了一些新的方法，設計一些材料，他可以把氨吸附下來，這樣，即便泄露空氣裏麵，這個(ge) 量也是非常少，這個(ge) 對於(yu) 人危害也是會(hui) 減少。比如說，日本，英國，德國，美國，也是這個(ge) 方麵進行了積極的部署。特別是日本，2013年開始，日本的科學技術機構GST，啟動了兩(liang) 個(ge) 項目，其中都是把這個(ge) 對氨作為(wei) 一個(ge) 載體(ti) ，都是認為(wei) 這個(ge) 是一個(ge) 具有非常非常重要的一個(ge) 應用前景的一個(ge) 載體(ti) 。這個(ge) 運輸目的地以後，用催化劑將氨分解掉，這個(ge) 就是加氫站來用，這個(ge) 就是這樣學術界也是想一些辦法。就是采用一些西安的材料，可以將到這個(ge) 級別。當然，如果是堿性電池，還有固體(ti) 氧化物，就是高溫的電池，這個(ge) 氨可能就不存在這樣一個(ge) 問題。這樣一個(ge) 氨循環，他其實主要就是包括什麽(me) 呢？一個(ge) 是核成氨，還有就是氨分解，兩(liang) 個(ge) 非常關(guan) 鍵的步驟。這個(ge) 也是高能耗過程，這個(ge) 能耗占全球能源供應總量1%到2%，我國合成氨能耗占化學工業(ye) 能耗總量4分之一。所以，可以看到這個(ge) 工業(ye) 是一個(ge) 工業(ye) 大戶。這個(ge) 就是可以進行的，為(wei) 什麽(me) 不可以進行？就是這個(ge) 動學阻力太大，這個(ge) 需要高溫，高壓。還需要一個(ge) 存在。所以，長期以來，這個(ge) 就是開發低溫的催化劑，這個(ge) 一直就是化學家們(men) ，化工專(zhuan) 家們(men) 努力追求的目標。這個(ge) 就是學術界研究比較好。這個(ge) 催化劑，一般就是集中在貴金屬。還有就是溫度，還有就是氨的轉化率。那麽(me) ，我們(men) 可以看到，比如說，這個(ge) 紅色線，這個(ge) 是貴金屬的催化劑。想達到這個(ge) 氨的完全轉化，這個(ge) 對於(yu) 這個(ge) 金屬上麵說一下，這個(ge) 就是450度以上，這個(ge) 對於(yu) 這個(ge) 而言。比如說，就是綠色的線，就是需要更高溫度，需要在550度，600度以上的高溫。顯而易見，這樣一個(ge) 溫度，這個(ge) 是什麽(me) 呢？就是限製了這些材料的應用。因而，這個(ge) 領域大家一直想開發出來，低溫高效，就是非重金屬一個(ge) 催化劑。怎麽(me) 去開發這些催化劑呢？這個(ge) 其實就是需要我們(men) 做技術研究的來努力，就需要我們(men) 去認識一下這個(ge) 合成氨這個(ge) 過程到底怎麽(me) 進行的？我們(men) 知道這個(ge) 過程怎麽(me) 進行的？有可能提出來，就是這個(ge) 開發出來一個(ge) 催化劑。這個(ge) 示意圖講一下，就是這個(ge) 過程為(wei) 例，這個(ge) 就是氮氣和氨氣。這個(ge) 就是生成氮氫2，再到空氣裏麵，這個(ge) 就是氨氣了。那從(cong) 這個(ge) 示意圖上麵看，怎麽(me) 開發這個(ge) 高效的合成氨催化劑了？很簡單一個(ge) 想法，一個(ge) 直接的想法，這個(ge) 催化劑對於(yu) 氮氣和氫氣要有很強一個(ge) 作用。但是，對於(yu) 氨有很弱的一個(ge) 作用。但是，很遺憾，就是什麽(me) 呢？我們(men) 近期的這個(ge) 基礎研究結果表明，這個(ge) 在已有過度催化劑上麵不可能實現的。為(wei) 什麽(me) 呢？這個(ge) 是因為(wei) 在過度基礎上麵就是存在著一個(ge) 本真一個(ge) 東(dong) 西，一個(ge) 內(nei) 在一個(ge) 東(dong) 西。這個(ge) 東(dong) 西就是限行限製關(guan) 係，這個(ge) 就是近年來認識到的，以前大家做催化劑，這個(ge) 都是炒催化劑，就是在試。現在就是知道了，這個(ge) 怎麽(me) 試？這個(ge) 都是很難開發出來一個(ge) 好的合成氨催化劑。這個(ge) 就不講這個(ge) 關(guan) 係，希望大家都是知道，有這樣一個(ge) 限製關(guan) 係，限製的合成氨的催化劑開發。
我們(men) 想怎麽(me) 做呢？剛剛大概2002年的時候有報道氫氣相互作用，生成這個(ge) 過程。那麽(me) ，這個(ge) 過程呢？其實對於(yu) 我們(men) 開發合成氨催化劑就是具有很重要的一個(ge) 意義(yi) 。當然，這個(ge) 是我們(men) 後來才認識到的，我們(men) 對這個(ge) 材料研究過程當中，我們(men) 發現這個(ge) 分解過程，就是這個(ge) 上麵有很大的差別。沒有技術存在的時候。這個(ge) 隻分解氨。鐵存在的時候，還有氮氣和氫氣，這個(ge) 圖就是我們(men) 的一係列的鐵催化劑，氨分解活性。可以看到這個(ge) 材料，這個(ge) 都是沒有活性的。但是，如果你將過度金屬鐵，還有這個(ge) 材料複核在一起，我們(men) 可以看到，這個(ge) 分解活性得到很大的改善。我們(men) 通過基礎研究來研究這個(ge) 到底是什麽(me) 作用呢？讓這個(ge) 材料具有很好的一個(ge) 氨分解活性。我們(men) 發現這兩(liang) 者其實可以發生化學反映，生成一個(ge) 三元氮化物。這個(ge) 化物在這個(ge) 循環當中起很重要的作用。這個(ge) 氨分解催化劑，找到一個(ge) 好的催化劑，很可能對於(yu) 合成氨也是有催化的作用。所以，就拓展到合成氨這個(ge) 過程當中。那麽(me) 這個(ge) 圖就是什麽(me) 呢？就是我們(men) 一個(ge) 材料。就是過度金屬。三D過度金屬，就是其他的一些金屬元素。然後，把它放在一起測試這個(ge) 活性。我們(men) 可以看到，上麵4個(ge) 線分別就是什麽(me) 呢？分別就是4種金屬形成的催化劑。大家可以看到，有這個(ge) 存在的合成這個(ge) 性能，這個(ge) 比貴金屬高非常的多。這個(ge) 成本也是有所下降的，這個(ge) 也是需要說明的。其他沒有合成銨烆的。我們(men) 可以看到的，這一條紅色線，這個(ge) 都是得到大幅度的提高。大概提高可以有10倍到1萬(wan) 倍左右。這個(ge) 取決(jue) 於(yu) 金屬了。
目前呢？在合成銨大家了解比較多的，活性最好的就是色促進的療養(yang) 化美催化劑，我們(men) 文獻報道裏麵經常拿它作為(wei) 一個(ge) 催化劑。那麽(me) ，我們(men) 催化劑和他相比，這個(ge) 性能怎麽(me) 樣呢？大家可以看到這個(ge) 紅色這個(ge) 柱狀圖，這個(ge) 就是什麽(me) 呢？這個(ge) 還是高2到4倍。而且，這個(ge) 材料是一個(ge) 沒有載體(ti) 的。那麽(me) ，如果把它放載體(ti) 上麵，我們(men) 可以看到這個(ge) 鐵這個(ge) 催化劑，這個(ge) 就是氧化鎂以後，這個(ge) 活性比鐵高出40%左右。我們(men) 也是要知道這個(ge) 起什麽(me) 作用？這個(ge) 也是不展開了，這個(ge) 有一張示意圖，給大家展示一下。剛剛說了，就是傳(chuan) 統的過度金屬催化劑上麵，氮氣，氫氣，氨他們(men) 都是基礎上麵進行的。而在我們(men) 的體(ti) 係上麵，我們(men) 引入了一個(ge) 他不是過度金屬。這個(ge) 合成銨，這個(ge) 是在過度金屬還有氫化鋁界麵上麵進行的。最終一個(ge) 效果，就是剛剛我所說的，就是那個(ge) 過度金屬就是那個(ge) 限製關(guan) 係，就是限製關(guan) 係，因為(wei) 那個(ge) 加入被打破。所以，他的催化活性比那個(ge) 本身高出非常的多。這個(ge) 圖就是對比了左邊，是我們(men) 這個(ge) 複核催化劑的活性。右麵就是合成銨活性。一方麵就是說明了我們(men) 的這個(ge) 複核催化劑，就是過度金屬，還有這個(ge) 材料，複核這個(ge) 體(ti) 係，這個(ge) 就是本身高出非常的多。另外一個(ge) 方麵，大家可以看到，這個(ge) 黑色線這個(ge) 是像一個(ge) 火山。這個(ge) 是專(zhuan) 業(ye) 裏麵通常說的一個(ge) 火山型曲線，紅色線，我們(men) 可以看到，這個(ge) 不是火山型，這個(ge) 是一個(ge) 高地。這個(ge) 現象呢？其實也是暗示了剛剛所說那個(ge) 關(guan) 係，那個(ge) 已經被打破了。這個(ge) 就是元素周期表，大家可能如果對於(yu) 化學了解的，大家都是知道，這個(ge) 是搞化學人一個(ge) 寶貝。剛剛我也是介紹了我們(men) 這個(ge) 催化劑這個(ge) 元素。這個(ge) 就是3D過度金屬，我們(men) 知道的，這個(ge) 不光是有那個(ge) 。過度金屬不光是有其他的一些，還有很多的過度金屬。所以，我們(men) 這個(ge) 體(ti) 係的研發其實也給我們(men) 開出了一個(ge) 新的一個(ge) 空間。就是我們(men) 通過對於(yu) 這個(ge) 元素組成，還有這個(ge) 結構進行優(you) 化。那麽(me) 我們(men) 是不是有可能開發出來了，真正具有工業(ye) 應用價(jia) 值的這個(ge) 合成氨催化劑呢？我相信我們(men) 會(hui) 一直為(wei) 這個(ge) 目標而努力的。
最後總結一下，實現這個(ge) 氨作為(wei) 這個(ge) 載體(ti) ，這個(ge) 氨分解非常重要的一個(ge) 過程。我們(men) 就是在什麽(me) 呢？就是對於(yu) 催化劑研究方麵做了一些工作，我們(men) 希望這些工作可以推動氨作為(wei) 這個(ge) 載體(ti) 概念，可以走出來，可以走到企業(ye) 界，走到工業(ye) 界。另外一個(ge) 方麵，想借我們(men) 今天這個(ge) 報告，我們(men) 也是向大家說明一下，就是什麽(me) 呢？基礎研究，這個(ge) 其實在推動技術創新，還有經濟發展方麵其實也是具有很重要的一個(ge) 作用的。你隻有在對這個(ge) 技術研究有很深的認識以後，才有可能什麽(me) 呢？就是設計，就是理性設計和開發新的催化劑，還有新的技術，從(cong) 而推動企業(ye) 的升級改造，還有社會(hui) 的進步。那樣的話無論是成本，還是資源，都是一種浪費。
最後謝謝大家。如果大家對於(yu) 我們(men) 這個(ge) 載體(ti) 的想法感興(xing) 趣或者有不同的意見。我們(men) 都是歡迎大家和我們(men) 交流和溝通。最後謝謝大家，歡迎大家大連交流訪問。謝謝。(云顶电子游戏网站登录)
