大連化物所陳萍：氨與儲氫
2016-12-01 15:05:32
摘要：2016中國國際能源峰會暨展覽會于2016年11月28日-30日在北京國家會議中心召開。大連化物所潔凈能源實(shí)驗(yàn)室氫能部部長陳萍在儲氫及加注分會場作了“氨與儲氫”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，還有一個就是應(yīng)用基礎(chǔ)研究。我個人一個研究就是技術(shù)研究，所以，我不知道今天講的對不對大家的胃口?，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個部分，首先介紹一下這個載體，接下來介紹一下研究團(tuán)隊(duì)，就是這個氫化物，還有氨作為載體方面一些研究進(jìn)展。這個是非常具有挑戰(zhàn)性的一個課題。剛剛他們介紹了這個高壓的業(yè)態(tài)氫，我也是注意到了，很多的企業(yè)對于高壓氣瓶，對于這個非常的感興趣。但是我們學(xué)術(shù)界除了這兩個方面以外。其實(shí)還有一個材料，就是什么呢？就是學(xué)術(shù)界比較關(guān)注一個對象，因?yàn)檫@個材料他具有比較高的一個體積密度。剛剛蔣老師講的一些情況。
比如說，這個重量百分比13.6%，這個是非常高的。但是，這些材料也是有他的缺點(diǎn)，比如說，就是這個就是脫氫溫度非常的高。這個不可以滿足這個車載這個要求。美國這個2020年這個目標(biāo)，這個就是5.5%，但是，這個5.5%就是指系統(tǒng)的能量的氫含量，如果考慮 材料，這個是達(dá)到11%左右。所以，很多的這個氫化物沒有辦法美國DOE的目標(biāo)。另外一個方面，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，這個接下來介紹一下研究團(tuán)隊(duì)，就是在這個里面，就是這些氫化物，這個作為載體方面一個研究進(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，這個就是可以在上面一個行為。這個過程是什么呢？這個過程就是很簡單，就是這個氫氣反映，就是這個就是氨機(jī)理這些材料，這個過程就是這樣一個過程。但是，這個缺點(diǎn)都是溫度比較高。這樣的話就可能形成了一個形成一個復(fù)合材料，左邊這些材料。他們都是含有這個。而右面這些材料呢？比如說，氨機(jī)理，井這些都是含有正氫。將這兩個材料符合了以后，都是根據(jù)正氫生成氫氣一個原理，都是可能具有這個性能的。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，這個金屬這個。這個安合物，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。這個什么區(qū)別？這個黃色標(biāo)記這些材料，他的這個氫量比較的低。一般就是8%以下。但是，這個優(yōu)點(diǎn)，是可逆的一個。這個白色的標(biāo)記這些材料，大家可以看到，這個含量可以比較的高，最高的就是15%。但是，什么缺點(diǎn)？不可逆的。但是，什么意思？這個脫氫了以后就不可能加氫，所以，就是一次性的這個氫的載體。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，這個就是組成的。工業(yè)上面用的這個催化劑，這個里面都是有含有堿金屬。他們兩者有什么關(guān)聯(lián)呢？這個是我們在思考的問題。這個能量密度，除了核能以外，這個煤和石油具有非常高的重量和體積密度，這個就是為什么煤和石油是我們當(dāng)前社會主要的能源載體。我們還可以看到，就是這個氨具有非常重金的能量密度，這個是氨一個優(yōu)勢。這個有很高的氫含量。這個也是容易很多的。
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，這個量也是非常少，這個對于人危害也是會減少。比如說，日本，英國，德國，美國，也是這個方面進(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，啟動了兩個項(xiàng)目，其中都是把這個對氨作為一個載體，都是認(rèn)為這個是一個具有非常非常重要的一個應(yīng)用前景的一個載體。這個運(yùn)輸目的地以后，用催化劑將氨分解掉，這個就是加氫站來用，這個就是這樣學(xué)術(shù)界也是想一些辦法。就是采用一些西安的材料，可以將到這個級別。當(dāng)然，如果是堿性電池，還有固體氧化物，就是高溫的電池，這個氨可能就不存在這樣一個問題。這樣一個氨循環(huán)，他其實(shí)主要就是包括什么呢？一個是核成氨，還有就是氨分解，兩個非常關(guān)鍵的步驟。這個也是高能耗過程，這個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，可以看到這個工業(yè)是一個工業(yè)大戶。這個就是可以進(jìn)行的，為什么不可以進(jìn)行？就是這個動學(xué)阻力太大，這個需要高溫，高壓。還需要一個存在。所以，長期以來，這個就是開發(fā)低溫的催化劑，這個一直就是化學(xué)家們，化工專家們努力追求的目標(biāo)。這個就是學(xué)術(shù)界研究比較好。這個催化劑，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，這個紅色線，這個是貴金屬的催化劑。想達(dá)到這個氨的完全轉(zhuǎn)化，這個對于這個金屬上面說一下，這個就是450度以上，這個對于這個而言。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，這樣一個溫度，這個是什么呢？就是限制了這些材料的應(yīng)用。因而，這個領(lǐng)域大家一直想開發(fā)出來，低溫高效，就是非重金屬一個催化劑。怎么去開發(fā)這些催化劑呢？這個其實(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)識一下這個合成氨這個過程到底怎么進(jìn)行的？我們知道這個過程怎么進(jìn)行的？有可能提出來，就是這個開發(fā)出來一個催化劑。這個示意圖講一下，就是這個過程為例，這個就是氮?dú)夂桶睔狻＿@個就是生成氮?dú)?，再到空氣里面，這個就是氨氣了。那從這個示意圖上面看，怎么開發(fā)這個高效的合成氨催化劑了？很簡單一個想法，一個直接的想法，這個催化劑對于氮?dú)夂蜌錃庖泻軓?qiáng)一個作用。但是，對于氨有很弱的一個作用。但是，很遺憾，就是什么呢？我們近期的這個基礎(chǔ)研究結(jié)果表明，這個在已有過度催化劑上面不可能實(shí)現(xiàn)的。為什么呢？這個是因?yàn)樵谶^度基礎(chǔ)上面就是存在著一個本真一個東西，一個內(nèi)在一個東西。這個東西就是限行限制關(guān)系，這個就是近年來認(rèn)識到的，以前大家做催化劑，這個都是炒催化劑，就是在試?，F(xiàn)在就是知道了，這個怎么試？這個都是很難開發(fā)出來一個好的合成氨催化劑。這個就不講這個關(guān)系，希望大家都是知道，有這樣一個限制關(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，生成這個過程。那么，這個過程呢？其實(shí)對于我們開發(fā)合成氨催化劑就是具有很重要的一個意義。當(dāng)然，這個是我們后來才認(rèn)識到的，我們對這個材料研究過程當(dāng)中，我們發(fā)現(xiàn)這個分解過程，就是這個上面有很大的差別。沒有技術(shù)存在的時(shí)候。這個只分解氨。鐵存在的時(shí)候，還有氮?dú)夂蜌錃猓@個圖就是我們的一系列的鐵催化劑，氨分解活性?？梢钥吹竭@個材料，這個都是沒有活性的。但是，如果你將過度金屬鐵，還有這個材料復(fù)核在一起，我們可以看到，這個分解活性得到很大的改善。我們通過基礎(chǔ)研究來研究這個到底是什么作用呢？讓這個材料具有很好的一個氨分解活性。我們發(fā)現(xiàn)這兩者其實(shí)可以發(fā)生化學(xué)反映，生成一個三元氮化物。這個化物在這個循環(huán)當(dāng)中起很重要的作用。這個氨分解催化劑，找到一個好的催化劑，很可能對于合成氨也是有催化的作用。所以，就拓展到合成氨這個過程當(dāng)中。那么這個圖就是什么呢？就是我們一個材料。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，把它放在一起測試這個活性。我們可以看到，上面4個線分別就是什么呢？分別就是4種金屬形成的催化劑。大家可以看到，有這個存在的合成這個性能，這個比貴金屬高非常的多。這個成本也是有所下降的，這個也是需要說明的。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)常拿它作為一個催化劑。那么，我們催化劑和他相比，這個性能怎么樣呢？大家可以看到這個紅色這個柱狀圖，這個就是什么呢？這個還是高2到4倍。而且，這個材料是一個沒有載體的。那么，如果把它放載體上面，我們可以看到這個鐵這個催化劑，這個就是氧化鎂以后，這個活性比鐵高出40%左右。我們也是要知道這個起什么作用？這個也是不展開了，這個有一張示意圖，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)猓瑲錃?，氨他們都是基礎(chǔ)上面進(jìn)行的。而在我們的體系上面，我們引入了一個他不是過度金屬。這個合成銨，這個是在過度金屬還有氫化鋁界面上面進(jìn)行的。最終一個效果，就是剛剛我所說的，就是那個過度金屬就是那個限制關(guān)系，就是限制關(guān)系，因?yàn)槟莻€加入被打破。所以，他的催化活性比那個本身高出非常的多。這個圖就是對比了左邊，是我們這個復(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復(fù)核催化劑，就是過度金屬，還有這個材料，復(fù)核這個體系，這個就是本身高出非常的多。另外一個方面，大家可以看到，這個黑色線這個是像一個火山。這個是專業(yè)里面通常說的一個火山型曲線，紅色線，我們可以看到，這個不是火山型，這個是一個高地。這個現(xiàn)象呢？其實(shí)也是暗示了剛剛所說那個關(guān)系，那個已經(jīng)被打破了。這個就是元素周期表，大家可能如果對于化學(xué)了解的，大家都是知道，這個是搞化學(xué)人一個寶貝。剛剛我也是介紹了我們這個催化劑這個元素。這個就是3D過度金屬，我們知道的，這個不光是有那個。過度金屬不光是有其他的一些，還有很多的過度金屬。所以，我們這個體系的研發(fā)其實(shí)也給我們開出了一個新的一個空間。就是我們通過對于這個元素組成，還有這個結(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)值的這個合成氨催化劑呢？我相信我們會一直為這個目標(biāo)而努力的。
最后總結(jié)一下，實(shí)現(xiàn)這個氨作為這個載體，這個氨分解非常重要的一個過程。我們就是在什么呢？就是對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氨作為這個載體概念，可以走出來，可以走到企業(yè)界，走到工業(yè)界。另外一個方面，想借我們今天這個報(bào)告，我們也是向大家說明一下，就是什么呢？基礎(chǔ)研究，這個其實(shí)在推動技術(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作用的。你只有在對這個技術(shù)研究有很深的認(rèn)識以后，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)，從而推動企業(yè)的升級改造，還有社會的進(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。如果大家對于我們這個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))
