大連化物所陳萍：氨與儲(chǔ)氫
2016-12-01 15:05:32
摘要：2016中國國際能源峰會(huì)暨展覽會(huì)于2016年11月28日-30日在北京國家會(huì)議中心召開。大連化物所潔凈能源實(shí)驗(yàn)室氫能部部長陳萍在儲(chǔ)氫及加注分會(huì)場(chǎng)作了“氨與儲(chǔ)氫”報(bào)告。
以下為陳萍作報(bào)告的文字實(shí)錄：
陳萍：我們實(shí)驗(yàn)室定位基礎(chǔ)研究，還有一個(gè)就是應(yīng)用基礎(chǔ)研究。我個(gè)人一個(gè)研究就是技術(shù)研究，所以，我不知道今天講的對(duì)不對(duì)大家的胃口?，F(xiàn)在開始，想和各位老師，企業(yè)界朋友探討一下氨。我分4個(gè)部分，首先介紹一下這個(gè)載體，接下來介紹一下研究團(tuán)隊(duì)，就是這個(gè)氫化物，還有氨作為載體方面一些研究進(jìn)展。這個(gè)是非常具有挑戰(zhàn)性的一個(gè)課題。剛剛他們介紹了這個(gè)高壓的業(yè)態(tài)氫，我也是注意到了，很多的企業(yè)對(duì)于高壓氣瓶，對(duì)于這個(gè)非常的感興趣。但是我們學(xué)術(shù)界除了這兩個(gè)方面以外。其實(shí)還有一個(gè)材料，就是什么呢？就是學(xué)術(shù)界比較關(guān)注一個(gè)對(duì)象，因?yàn)檫@個(gè)材料他具有比較高的一個(gè)體積密度。剛剛蔣老師講的一些情況。
比如說，這個(gè)重量百分比13.6%，這個(gè)是非常高的。但是，這些材料也是有他的缺點(diǎn)，比如說，就是這個(gè)就是脫氫溫度非常的高。這個(gè)不可以滿足這個(gè)車載這個(gè)要求。美國這個(gè)2020年這個(gè)目標(biāo)，這個(gè)就是5.5%，但是，這個(gè)5.5%就是指系統(tǒng)的能量的氫含量，如果考慮 材料，這個(gè)是達(dá)到11%左右。所以，很多的這個(gè)氫化物沒有辦法美國DOE的目標(biāo)。另外一個(gè)方面，就是什么呢？就是也是可以氣態(tài)，也是可以業(yè)態(tài)形式儲(chǔ)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(gè)接下來介紹一下研究團(tuán)隊(duì)，就是在這個(gè)里面，就是這些氫化物，這個(gè)作為載體方面一個(gè)研究進(jìn)展。我們研究團(tuán)隊(duì)就是2002年的時(shí)候，就是報(bào)告了一下，這個(gè)就是可以在上面一個(gè)行為。這個(gè)過程是什么呢？這個(gè)過程就是很簡(jiǎn)單，就是這個(gè)氫氣反映，就是這個(gè)就是氨機(jī)理這些材料，這個(gè)過程就是這樣一個(gè)過程。但是，這個(gè)缺點(diǎn)都是溫度比較高。這樣的話就可能形成了一個(gè)形成一個(gè)復(fù)合材料，左邊這些材料。他們都是含有這個(gè)。而右面這些材料呢？比如說，氨機(jī)理，井這些都是含有正氫。將這兩個(gè)材料符合了以后，都是根據(jù)正氫生成氫氣一個(gè)原理，都是可能具有這個(gè)性能的。而我們的試驗(yàn)就是表明了，這些復(fù)合材料具有一定的性能。在這個(gè)材料設(shè)計(jì)里面指導(dǎo)下，我們開發(fā)了一系列的新型的材料體系。比如說，這個(gè)金屬這個(gè)。這個(gè)安合物，還有緊合物等等。大家看到有黃色的標(biāo)記，還有白色標(biāo)記。這個(gè)什么區(qū)別？這個(gè)黃色標(biāo)記這些材料，他的這個(gè)氫量比較的低。一般就是8%以下。但是，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，是可逆的一個(gè)。這個(gè)白色的標(biāo)記這些材料，大家可以看到，這個(gè)含量可以比較的高，最高的就是15%。但是，什么缺點(diǎn)？不可逆的。但是，什么意思？這個(gè)脫氫了以后就不可能加氫，所以，就是一次性的這個(gè)氫的載體。這些組成上面來看有一些共同特點(diǎn)，都是含有氮元素。我們都是知道，這個(gè)就是組成的。工業(yè)上面用的這個(gè)催化劑，這個(gè)里面都是有含有堿金屬。他們兩者有什么關(guān)聯(lián)呢？這個(gè)是我們?cè)谒伎嫉膯栴}。這個(gè)能量密度，除了核能以外，這個(gè)煤和石油具有非常高的重量和體積密度，這個(gè)就是為什么煤和石油是我們當(dāng)前社會(huì)主要的能源載體。我們還可以看到，就是這個(gè)氨具有非常重金的能量密度，這個(gè)是氨一個(gè)優(yōu)勢(shì)。這個(gè)有很高的氫含量。這個(gè)也是容易很多的。
那么，還有很重要的一點(diǎn)，就是什么呢？就是我們可以看到就是氮?dú)夂蜌錃饨M成的。不含有炭，這個(gè)不含有溫室氣體的。那么，還有一點(diǎn)，就是什么呢？我們學(xué)術(shù)界和工業(yè)界考慮這個(gè)問題了，他們也是設(shè)計(jì)了一些新的方法，設(shè)計(jì)一些材料，他可以把氨吸附下來，這樣，即便泄露空氣里面，這個(gè)量也是非常少，這個(gè)對(duì)于人危害也是會(huì)減少。比如說，日本，英國，德國，美國，也是這個(gè)方面進(jìn)行了積極的部署。特別是日本，2013年開始，日本的科學(xué)技術(shù)機(jī)構(gòu)GST，啟動(dòng)了兩個(gè)項(xiàng)目，其中都是把這個(gè)對(duì)氨作為一個(gè)載體，都是認(rèn)為這個(gè)是一個(gè)具有非常非常重要的一個(gè)應(yīng)用前景的一個(gè)載體。這個(gè)運(yùn)輸目的地以后，用催化劑將氨分解掉，這個(gè)就是加氫站來用，這個(gè)就是這樣學(xué)術(shù)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(gè)級(jí)別。當(dāng)然，如果是堿性電池，還有固體氧化物，就是高溫的電池，這個(gè)氨可能就不存在這樣一個(gè)問題。這樣一個(gè)氨循環(huán)，他其實(shí)主要就是包括什么呢？一個(gè)是核成氨，還有就是氨分解，兩個(gè)非常關(guān)鍵的步驟。這個(gè)也是高能耗過程，這個(gè)能耗占全球能源供應(yīng)總量1%到2%，我國合成氨能耗占化學(xué)工業(yè)能耗總量4分之一。所以，可以看到這個(gè)工業(yè)是一個(gè)工業(yè)大戶。這個(gè)就是可以進(jìn)行的，為什么不可以進(jìn)行？就是這個(gè)動(dòng)學(xué)阻力太大，這個(gè)需要高溫，高壓。還需要一個(gè)存在。所以，長期以來，這個(gè)就是開發(fā)低溫的催化劑，這個(gè)一直就是化學(xué)家們，化工專家們努力追求的目標(biāo)。這個(gè)就是學(xué)術(shù)界研究比較好。這個(gè)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(zhuǎn)化率。那么，我們可以看到，比如說，這個(gè)紅色線，這個(gè)是貴金屬的催化劑。想達(dá)到這個(gè)氨的完全轉(zhuǎn)化，這個(gè)對(duì)于這個(gè)金屬上面說一下，這個(gè)就是450度以上，這個(gè)對(duì)于這個(gè)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(gè)溫度，這個(gè)是什么呢？就是限制了這些材料的應(yīng)用。因而，這個(gè)領(lǐng)域大家一直想開發(fā)出來，低溫高效，就是非重金屬一個(gè)催化劑。怎么去開發(fā)這些催化劑呢？這個(gè)其實(shí)就是需要我們做技術(shù)研究的來努力，就需要我們?nèi)フJ(rèn)識(shí)一下這個(gè)合成氨這個(gè)過程到底怎么進(jìn)行的？我們知道這個(gè)過程怎么進(jìn)行的？有可能提出來，就是這個(gè)開發(fā)出來一個(gè)催化劑。這個(gè)示意圖講一下，就是這個(gè)過程為例，這個(gè)就是氮?dú)夂桶睔?。這個(gè)就是生成氮?dú)?，再到空氣里面，這個(gè)就是氨氣了。那從這個(gè)示意圖上面看，怎么開發(fā)這個(gè)高效的合成氨催化劑了？很簡(jiǎn)單一個(gè)想法，一個(gè)直接的想法，這個(gè)催化劑對(duì)于氮?dú)夂蜌錃庖泻軓?qiáng)一個(gè)作用。但是，對(duì)于氨有很弱的一個(gè)作用。但是，很遺憾，就是什么呢？我們近期的這個(gè)基礎(chǔ)研究結(jié)果表明，這個(gè)在已有過度催化劑上面不可能實(shí)現(xiàn)的。為什么呢？這個(gè)是因?yàn)樵谶^度基礎(chǔ)上面就是存在著一個(gè)本真一個(gè)東西，一個(gè)內(nèi)在一個(gè)東西。這個(gè)東西就是限行限制關(guān)系，這個(gè)就是近年來認(rèn)識(shí)到的，以前大家做催化劑，這個(gè)都是炒催化劑，就是在試?，F(xiàn)在就是知道了，這個(gè)怎么試？這個(gè)都是很難開發(fā)出來一個(gè)好的合成氨催化劑。這個(gè)就不講這個(gè)關(guān)系，希望大家都是知道，有這樣一個(gè)限制關(guān)系，限制的合成氨的催化劑開發(fā)。
我們想怎么做呢？剛剛大概2002年的時(shí)候有報(bào)道氫氣相互作用，生成這個(gè)過程。那么，這個(gè)過程呢？其實(shí)對(duì)于我們開發(fā)合成氨催化劑就是具有很重要的一個(gè)意義。當(dāng)然，這個(gè)是我們后來才認(rèn)識(shí)到的，我們對(duì)這個(gè)材料研究過程當(dāng)中，我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)分解過程，就是這個(gè)上面有很大的差別。沒有技術(shù)存在的時(shí)候。這個(gè)只分解氨。鐵存在的時(shí)候，還有氮?dú)夂蜌錃猓@個(gè)圖就是我們的一系列的鐵催化劑，氨分解活性?？梢钥吹竭@個(gè)材料，這個(gè)都是沒有活性的。但是，如果你將過度金屬鐵，還有這個(gè)材料復(fù)核在一起，我們可以看到，這個(gè)分解活性得到很大的改善。我們通過基礎(chǔ)研究來研究這個(gè)到底是什么作用呢？讓這個(gè)材料具有很好的一個(gè)氨分解活性。我們發(fā)現(xiàn)這兩者其實(shí)可以發(fā)生化學(xué)反映，生成一個(gè)三元氮化物。這個(gè)化物在這個(gè)循環(huán)當(dāng)中起很重要的作用。這個(gè)氨分解催化劑，找到一個(gè)好的催化劑，很可能對(duì)于合成氨也是有催化的作用。所以，就拓展到合成氨這個(gè)過程當(dāng)中。那么這個(gè)圖就是什么呢？就是我們一個(gè)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。然后，把它放在一起測(cè)試這個(gè)活性。我們可以看到，上面4個(gè)線分別就是什么呢？分別就是4種金屬形成的催化劑。大家可以看到，有這個(gè)存在的合成這個(gè)性能，這個(gè)比貴金屬高非常的多。這個(gè)成本也是有所下降的，這個(gè)也是需要說明的。其他沒有合成銨烆的。我們可以看到的，這一條紅色線，這個(gè)都是得到大幅度的提高。大概提高可以有10倍到1萬倍左右。這個(gè)取決于金屬了。
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(jìn)的療養(yǎng)化美催化劑，我們文獻(xiàn)報(bào)道里面經(jīng)常拿它作為一個(gè)催化劑。那么，我們催化劑和他相比，這個(gè)性能怎么樣呢？大家可以看到這個(gè)紅色這個(gè)柱狀圖，這個(gè)就是什么呢？這個(gè)還是高2到4倍。而且，這個(gè)材料是一個(gè)沒有載體的。那么，如果把它放載體上面，我們可以看到這個(gè)鐵這個(gè)催化劑，這個(gè)就是氧化鎂以后，這個(gè)活性比鐵高出40%左右。我們也是要知道這個(gè)起什么作用？這個(gè)也是不展開了，這個(gè)有一張示意圖，給大家展示一下。剛剛說了，就是傳統(tǒng)的過度金屬催化劑上面，氮?dú)?，氫氣，氨他們都是基礎(chǔ)上面進(jìn)行的。而在我們的體系上面，我們引入了一個(gè)他不是過度金屬。這個(gè)合成銨，這個(gè)是在過度金屬還有氫化鋁界面上面進(jìn)行的。最終一個(gè)效果，就是剛剛我所說的，就是那個(gè)過度金屬就是那個(gè)限制關(guān)系，就是限制關(guān)系，因?yàn)槟莻€(gè)加入被打破。所以，他的催化活性比那個(gè)本身高出非常的多。這個(gè)圖就是對(duì)比了左邊，是我們這個(gè)復(fù)核催化劑的活性。右面就是合成銨活性。一方面就是說明了我們的這個(gè)復(fù)核催化劑，就是過度金屬，還有這個(gè)材料，復(fù)核這個(gè)體系，這個(gè)就是本身高出非常的多。另外一個(gè)方面，大家可以看到，這個(gè)黑色線這個(gè)是像一個(gè)火山。這個(gè)是專業(yè)里面通常說的一個(gè)火山型曲線，紅色線，我們可以看到，這個(gè)不是火山型，這個(gè)是一個(gè)高地。這個(gè)現(xiàn)象呢？其實(shí)也是暗示了剛剛所說那個(gè)關(guān)系，那個(gè)已經(jīng)被打破了。這個(gè)就是元素周期表，大家可能如果對(duì)于化學(xué)了解的，大家都是知道，這個(gè)是搞化學(xué)人一個(gè)寶貝。剛剛我也是介紹了我們這個(gè)催化劑這個(gè)元素。這個(gè)就是3D過度金屬，我們知道的，這個(gè)不光是有那個(gè)。過度金屬不光是有其他的一些，還有很多的過度金屬。所以，我們這個(gè)體系的研發(fā)其實(shí)也給我們開出了一個(gè)新的一個(gè)空間。就是我們通過對(duì)于這個(gè)元素組成，還有這個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。那么我們是不是有可能開發(fā)出來了，真正具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的這個(gè)合成氨催化劑呢？我相信我們會(huì)一直為這個(gè)目標(biāo)而努力的。
最后總結(jié)一下，實(shí)現(xiàn)這個(gè)氨作為這個(gè)載體，這個(gè)氨分解非常重要的一個(gè)過程。我們就是在什么呢？就是對(duì)于催化劑研究方面做了一些工作，我們希望這些工作可以推動(dòng)氨作為這個(gè)載體概念，可以走出來，可以走到企業(yè)界，走到工業(yè)界。另外一個(gè)方面，想借我們今天這個(gè)報(bào)告，我們也是向大家說明一下，就是什么呢？基礎(chǔ)研究，這個(gè)其實(shí)在推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新，還有經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面其實(shí)也是具有很重要的一個(gè)作用的。你只有在對(duì)這個(gè)技術(shù)研究有很深的認(rèn)識(shí)以后，才有可能什么呢？就是設(shè)計(jì)，就是理性設(shè)計(jì)和開發(fā)新的催化劑，還有新的技術(shù)，從而推動(dòng)企業(yè)的升級(jí)改造，還有社會(huì)的進(jìn)步。那樣的話無論是成本，還是資源，都是一種浪費(fèi)。
最后謝謝大家。如果大家對(duì)于我們這個(gè)載體的想法感興趣或者有不同的意見。我們都是歡迎大家和我們交流和溝通。最后謝謝大家，歡迎大家大連交流訪問。謝謝。(能源新聞網(wǎng))
