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驗室氫能部部長陳萍在儲氫及加注分會場作了“氨與儲氫”報告。
以下為陳萍作報告的文字實錄：
陳萍：我們實驗室定位基礎研究，還有一個就是應用基礎研究。我個人一個研究就是技術研究，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隊，就是這個氫化物，還有氨作為載體方面一些研究進展。這個是非常具有挑戰性的一個課題。剛剛他們介紹了這個高壓的業態氫，我也是注意到了，很多的企業對于高壓氣瓶，對于這個非常的感興趣。但是我們學術界除了這兩個方面以外。其實還有一個材料，就是什么呢？就是學術界比較關注一個對象，因為這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，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，這個就是5.5%，但是，這個5.5%就是指系統的能量的氫含量，如果考慮 材料，這個是達到11%左右。所以，很多的這個氫化物沒有辦法美國DOE的目標。另外一個方面，就是什么呢？就是也是可以氣態，也是可以業態形式儲存下來。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隊，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展。我們研究團隊就是2002年的時候，就是報告了一下，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，就是這個就是氨機理這些材料，這個過程就是這樣一個過程。但是，這個缺點都是溫度比較高。這樣的話就可能形成了一個形成一個復合材料，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。而我們的試驗就是表明了，這些復合材料具有一定的性能。在這個材料設計里面指導下，我們開發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記，還有白色標記。這個什么區別？這個黃色標記這些材料，他的這個氫量比較的低。一般就是8%以下。但是，這個優點，是可逆的一個。這個白色的標記這些材料，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？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，都是含有氮元素。我們都是知道，這個就是組成的。工業上面用的這個催化劑，這個里面都是有含有堿金屬。他們兩者有什么關聯呢？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，就是什么呢？就是我們可以看到就是氮氣和氫氣組成的。不含有炭，這個不含有溫室氣體的。那么，還有一點，就是什么呢？我們學術界和工業界考慮這個問題了，他們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，啟動了兩個項目，其中都是把這個對氨作為一個載體，都是認為這個是一個具有非常非常重要的一個應用前景的一個載體。這個運輸目的地以后，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，可以將到這個級別。當然，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，他其實主要就是包括什么呢？一個是核成氨，還有就是氨分解，兩個非常關鍵的步驟。這個也是高能耗過程，這個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能耗總量4分之一。所以，可以看到這個工業是一個工業大戶。這個就是可以進行的，為什么不可以進行？就是這個動學阻力太大，這個需要高溫，高壓。還需要一個存在。所以，長期以來，這個就是開發低溫的催化劑，這個一直就是化學家們，化工專家們努力追求的目標。這個就是學術界研究比較好。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。想達到這個氨的完全轉化，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用。因而，這個領域大家一直想開發出來，低溫高效，就是非重金屬一個催化劑。怎么去開發這些催化劑呢？這個其實就是需要我們做技術研究的來努力，就需要我們去認識一下這個合成氨這個過程到底怎么進行的？我們知道這個過程怎么進行的？有可能提出來，就是這個開發出來一個催化劑。這個示意圖講一下，就是這個過程為例，這個就是氮氣和氨氣。這個就是生成氮氫2，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，這個催化劑對于氮氣和氫氣要有很強一個作用。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研究結果表明，這個在已有過度催化劑上面不可能實現的。為什么呢？這個是因為在過度基礎上面就是存在著一個本真一個東西，一個內在一個東西。這個東西就是限行限制關系，這個就是近年來認識到的，以前大家做催化劑，這個都是炒催化劑，就是在試。現在就是知道了，這個怎么試？這個都是很難開發出來一個好的合成氨催化劑。這個就不講這個關系，希望大家都是知道，有這樣一個限制關系，限制的合成氨的催化劑開發。
我們想怎么做呢？剛剛大概2002年的時候有報道氫氣相互作用，生成這個過程。那么，這個過程呢？其實對于我們開發合成氨催化劑就是具有很重要的一個意義。當然，這個是我們后來才認識到的，我們對這個材料研究過程當中，我們發現這個分解過程，就是這個上面有很大的差別。沒有技術存在的時候。這個只分解氨。鐵存在的時候，還有氮氣和氫氣，這個圖就是我們的一系列的鐵催化劑，氨分解活性。可以看到這個材料，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。我們發現這兩者其實可以發生化學反映，生成一個三元氮化物。這個化物在這個循環當中起很重要的作用。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的療養化美催化劑，我們文獻報道里面經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，就是傳統的過度金屬催化劑上面，氮氣，氫氣，氨他們都是基礎上面進行的。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系，就是限制關系，因為那個加入被打破。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核催化劑，就是過度金屬，還有這個材料，復核這個體系，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。這個現象呢？其實也是暗示了剛剛所說那個關系，那個已經被打破了。這個就是元素周期表，大家可能如果對于化學了解的，大家都是知道，這個是搞化學人一個寶貝。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其實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，還有這個結構進行優化。那么我們是不是有可能開發出來了，真正具有工業應用價值的這個合成氨催化劑呢？我相信我們會一直為這個目標而努力的。
最后總結一下，實現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，可以走到企業界，走到工業界。另外一個方面，想借我們今天這個報告，我們也是向大家說明一下，就是什么呢？基礎研究，這個其實在推動技術創新，還有經濟發展方面其實也是具有很重要的一個作用的。你只有在對這個技術研究有很深的認識以后，才有可能什么呢？就是設計，就是理性設計和開發新的催化劑，還有新的技術，從而推動企業的升級改造，還有社會的進步。那樣的話無論是成本，還是資源，都是一種浪費。
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)
