未來的主要燃料是什么?

走向零碳未來無疑是21世紀(jì)所面臨的最大的能源和環(huán)境挑戰(zhàn)。目前，全球每年在這方面的投資高達(dá)數(shù)億美元，但最近的分析表明，僅僅依靠風(fēng)力渦輪機(jī)和太陽能電池板等現(xiàn)有技術(shù)可能不夠。即使不切實(shí)際地設(shè)想橫貫大陸的超導(dǎo)輸電線路能以100%的效率運(yùn)行，推動(dòng)風(fēng)能和太陽能發(fā)電能力大幅提升，我們在風(fēng)能和太陽能發(fā)電量較低的時(shí)期仍需面臨頻繁、長時(shí)間停電的風(fēng)險(xiǎn)。這些時(shí)期的能源短缺數(shù)量巨大，幾乎等同于一個(gè)大國的能源消耗量。

科學(xué)界普遍認(rèn)為，要真正消除碳?xì)浠衔锶紵a(chǎn)生的碳排放，我們需要大容量能源存儲(chǔ)解決方案。然而，若使用蓄電池來彌補(bǔ)該短缺，高昂的成本令人望而卻步，因?yàn)橐a(chǎn)足夠的電池來滿足我們的需求，所需的成本甚至超過全球GDP總和。因此，人們將目光轉(zhuǎn)向了綠色氫氣，認(rèn)為它有可能改變能源存儲(chǔ)的游戲規(guī)則，甚至成為航空業(yè)未來的燃料。傳統(tǒng)電池重量大，無法作為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力來源，尤其是對于大型飛機(jī)而言，會(huì)導(dǎo)致實(shí)際起飛困難，而且造成飛行隱患。

然而，綠色氫氣也并非十全十美。根據(jù)國際能源署的數(shù)據(jù)，綠色氫氣的生產(chǎn)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于天然氣制氫成本。由于使用甲烷制氫的單位能源成本高于甲烷的單位能源成本，所以人們難免擔(dān)心將綠色氫氣作為一種環(huán)保能源解決方案是否具有經(jīng)濟(jì)可行性。

尋找鉑金的替代品

降低綠色氫氣生產(chǎn)成本的發(fā)展前景廣闊。其中最高效的當(dāng)屬質(zhì)子交換膜(PEM)電解槽。這些設(shè)備利用太陽能和風(fēng)能等可再生能源，將水分解為氫氣和氧氣。但問題是，質(zhì)子交換膜電解槽的能效峰值通常只有75%，且實(shí)際性能可能要遠(yuǎn)低于此。這種限制主要?dú)w因于陽極催化劑的效率，陽極催化劑在質(zhì)子交換膜電解過程中起著至關(guān)重要的作用，在電解過程中，水會(huì)被分解為質(zhì)子(氫氣)和氧氣。

大多數(shù)催化劑的問題在于它們在高氧環(huán)境中表現(xiàn)不佳，極易降解。以鉑族金屬為基礎(chǔ)的催化劑以其高抗氧性而著稱，具有更高的穩(wěn)定性。目前，銥基催化劑(如銥黑和氧化銥)頗受用戶的歡迎。

然而，利用銥來大規(guī)模生產(chǎn)綠色氫氣面臨一個(gè)主要障礙：銥的稀缺性。銥的年產(chǎn)量不足100千克，是世界上最稀有的金屬之一，因此在普遍的碳中和解決方案中，無法將其用作核心成分。此外銥每盎司成本高達(dá)數(shù)千美元，更使銥的應(yīng)用雪上加霜。雖然釕等替代品也有望用作催化劑，但它們在富氧環(huán)境中往往溶解過快。

幸運(yùn)的是，鉑族提供了其他選擇，包括價(jià)格更低廉的鈀。用鈦氧化物顆粒負(fù)載鈀和銥的催化劑實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，此等做法前景廣闊，有望取得成功。鈀還被用于核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合催化劑中。

使用鈀具有顯著優(yōu)勢。它有助于將水快速分解成氫氣，且不會(huì)在分解過程中溶解。這一工藝已順利通過理論階段，鈀銥催化劑已經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，正在模擬工業(yè)環(huán)境中進(jìn)行測試。這些發(fā)展標(biāo)志著我們在尋求高效、經(jīng)濟(jì)的綠色氫氣生產(chǎn)方案方面邁出了積極的一步。

鋰危機(jī)：切不可重蹈覆轍

與銥相比，鈀除了具有成本效益外，在供應(yīng)方面也有很大優(yōu)勢。全球采礦業(yè)每年生產(chǎn)數(shù)百噸鈀，是銥產(chǎn)量的數(shù)千倍。由于銥在綠色氫氣行業(yè)中產(chǎn)量有限，成本高昂，所以這一差距至關(guān)重要。隨著綠色氫氣產(chǎn)量的增加，預(yù)計(jì)銥的需求量將大大超過供應(yīng)量。根據(jù)市場動(dòng)態(tài)，這種不平衡預(yù)計(jì)會(huì)導(dǎo)致價(jià)格飆升，有可能將綠色氫氣的成本推高到許多人無法承受的水平。

這種情況與最近鋰市場的價(jià)格飆升如出一轍。汽車制造商在推動(dòng)實(shí)現(xiàn)凈零排放的過程中，提高電動(dòng)汽車產(chǎn)量，造成了電動(dòng)汽車電池所需原材料供應(yīng)緊張。

由于鉑族金屬在地殼中相對稀缺，所以它們面臨的挑戰(zhàn)可能比鋰更為嚴(yán)峻。快速用鈀替代銥可以緩解這一問題，而且業(yè)界也正在積極尋求技術(shù)解決方案。預(yù)計(jì)隨著大規(guī)模綠色氫氣項(xiàng)目的啟動(dòng)以及這些項(xiàng)目所帶來的可觀經(jīng)濟(jì)回報(bào)，綠色氫氣行業(yè)有望迅速加快創(chuàng)新和調(diào)整步伐。