編者按：“雙碳”背景下，隨著科技水平不斷進步和能源行業快速發展，分布式能源已成為引領能源領域發展的重要趨勢之一。第十九屆中國分布式能源國際論壇”于2023年12月12日在重慶召開，本次大會由中國能源研究會與中國能源網聯合主辦。會上，

中科院過程工程研究所段東平研究員做了主題為《多面體鈦酸鍶光量子發電與光解水制氫一體化成套技術》的報告。

以下內容根據論壇演講實錄進行整理。

段東平：感謝主持人，也感謝大會組委會邀請我來參加會議，跟大家分享一下我的工作。

我的工作題目很清晰，有三行字，先做一點點解釋。

一、研發出來了一種目前是全球首創的材料，多面體鈦酸鍶，當然重點用的是26面體鈦酸鍶，以及中空結構的26面體鈦酸鍶，這個材料目前在制備完成兩年多的時間里面，已經把專利和應用場景進行了細分，截至目前還沒有在全球看到有人制備出來，包括鈦酸鍶，包括其他材料的多面體材料。

二、技術由于多面體的精煉，能夠非常高效的吸收和轉換光電子，因此在技術路線設計當中，一方面用它來發電，同時放在水里面實現了光解水制氫，一套技術當中采用一套裝置完成兩項工作，所以我們把它叫做一體化的成套技術。

事實上這里面還集成另外一個技術，在報告里面提到，采用了聚光的方式實現大規模工業化應用的瓶頸。

我今天的內容重點從三個方面看一下技術的開發情況，首先重點是開辟出來了新能源材料，就從現在全球的情況來看，新能源材料定義的已經很清晰，在各種場合下，比如隨便選幾個去搜，新能源材料的界定很清晰，一般指的鋰、硅等等材料，很少有其他的元素能充當新能源材料。另外有一個很重要的概念，我們真的可以認真分析一下，截至目前全球新能源技術的發展，目前似乎第一中國人還沒有開發出來屬于我們自己獨有知識產的新能源材料。

二、整個體系當中無論是標準還是技術源泉，似乎都是來源于西方的國家。說到的鈦酸鍶很巧，今年的3月8日Nature發表了一篇文章，他們正好佐證了我們現在使用材料的獨特性，他時候的文章有一張圖片，就是大家看到的右側照片，他們用激光去轟擊現有的很多半導體材料，當然包括了硅，包括了二氧化碳，包括了其他的氮化硅等等很多材料，也包括現在市場上可以買到的六面體鈦酸鍶材料。

在轟擊了這些半導體材料之后，西湖大學發現目前僅有一種材料具備由激光轟擊之后表面出現了光陰極現象，這個材料就是他們所使用的六面體鈦酸鍶。光陰極實際上在物理學上很容易理解的概念，材料的表面可以由大量的電子聚集，電子可以自由流動，現象更像是金屬材料當中的電子云，實際上這個地方用了一個在半導體行業的詞，叫光陰極，只是證明材料的獨特性，是今年3月8日被西湖大學佐證了一下。

再來看另外一個變形的元素周期表，在2019年，歐洲化學會和英國皇家化學會聯合發布了元素周期表，列了90種元素，按照未來一百年對人類將會產生影響，甚至最嚴重的到了威脅生存或者生活的緊張程度的元素，進行了分類，這上面包括好幾種顏色，比如綠色的，就是未來沒有危機的，黃色的大約會逐漸稀少，偏橙黃色的未來資源量肯定會逐漸的減少，最嚴重的就是圖片上偏棕紅色的顏色。

棕紅色的顏色里面有12個元素，其中有一個是氦，氣體元素，還有剩下的基本都是金屬元素。在這些元素當中，最左邊的可以看到是一個鍶，鍶事實上很少有人了解，甚至中國人都很少知道鍶是什么樣的元素，我們正好今天在重慶開會，我在4年前的11月2日在重慶做了一個報告，我們要做的事情是打造世界“鍶都”，重慶當仁不讓，說的重慶人莫名其妙，資源開發以及宣傳還是沒有到位。

鍶對于歐洲來說，或者對于很多西方國家來說，他們的發展戰略當中非常重要，但是它的資源非常緊張，而鍶資源在現在全球已經探明的1.42億噸的儲量當中，中國占了8200萬噸，占總量的57.6%，當然重慶的量更大，重慶是現在全球最大的鍶資源儲地，現在探明儲量3807萬噸，占全世界的26.7%，因此在大背景下就提出了接下來要說的技術路線，我們有非常大的優勢，中國的資源優勢加上技術的卡脖子優勢，可以完成這一項技術。

鈦酸鍶原本早就存在，原來六面體鈦酸鍶一直作為壓電材料、介電材料在使用，事實上在市場上可以買到常規產品。但是我們經過十余年的研究，把材料性能進行了深度的拓展和挖掘，現在已經成功的在實驗室以及放大規模的設備商制備出來批量的二十六面體材料和中空材料，材料從外觀上圖片很清晰，性能上有很多與現在的半導體材料以及其他的新能源材料有巨大差別的特征，一方面就是光電轉換效率，在下面從左往右數第二個柱狀圖可以看，四個柱分別是市場上常規的鈦酸鍶產品的光電轉換效率，測試的結果是11.1%。

第二個紅柱是實驗室自己制備的形貌非常規則的六面體鈦酸鍶，就是左上角圖片的材料，共建轉換效率測試結果是13.7%，當然前兩個是一個數量級，因為規則不規則，形貌是不是統一，影響了一些光電轉換性能。

第三個綠色的柱，是十八面體鈦酸鍶，光電轉換效率高達36.8%。

第四個是二十六面體鈦酸鍶，光電轉換效率高達46.9%。

原因就是晶面嚴重的拓展了光電轉換效能，從材料未來應用上講，我覺得基礎性質是一定要搞清楚的，在右下角我們也特地列了四句話。

一、穩定性特別好，熔點高達2060度。

二、由于多晶面可以激發出更多的有效光電子，這是我們在新能源領域非常需要的現象。

三、事實上現有的新能源技術非常害怕紫外線，而現在的材料可以覆蓋從200納米到800納米的區間，紫外光更好的轉換成為光電子。

四、由于采用的聚光技術，因此我們認為現在的技術實際上是一個已經超越了三維空間結構的四維技術架構，形成這樣一條技術。

具體的從研究上講有幾個圖片，大家簡單過一下，比如如何從晶面調控，實現不同晶面的鈦酸鍶合成，這是我們做的工作，再通過一些表征、檢測得到準確的參數，獲得全球認可的材料相關數據。

另外，分別要對多面體材料進行光電子利用效率的測定，我們同樣也做了相應的一系列工作。

比如二十六面體材料，在去年德國材料學會的頂級期刊small上發表了一篇文章，被他們選為了封面，同時也充分肯定了全球首次制備出來二十六面體納米晶體的技術。最近也一直在深入的研究晶面調控的機理以及調控方法，這個工作也在今年10月份在美國化學會刊GMCA上又獲得了封面的刊登，當然有很好的數據呈現給了全球。

從過去十年當中，在各方面做的一系列研究，重點解決了光電轉換當中的機理問題，我在這里列了四條。

一、提高了鈦酸鍶光載流子的轉換與遷移效率。

二、提出了新的鈦酸鍶光載流子的激發態模型。

三、揭示了鈦酸鍶晶面的解體合成機理和調控機制。

四、揭示了鈦酸鍶中超低激子結合能的亞穩態激子對的存在以及各項異性的分布特征，這些其實是機理性的研究。

但是機理性的研究和材料的制備最終必須拿到用途，或者引發出來新的成套技術，才能夠獲得新的認可。

我們的用途其實就集中在大家現在更關注的新能源領域，包括太陽能、氫能等等，帶這個基礎的研發過程中有這樣一個體會，就是下面這句話，我認為人類利用自然能最理想方式，就是用最短路徑把太陽能轉換成電能，并且可以同時高效的光解水制氫，目前所看到的所有技術里面，我認為這個可能是難度最大的，或者說將來解決起來大概是終極的技術路線。

和新能源的對比，通常會拿晶硅光伏板，甚至最近這兩年熱起來的鈣鈦礦材料，鈣鈦礦電池材料去進行對比，這是現有的晶硅技術制作的簡單簡圖，在這里做個背景。制氫其實也一樣，全球很多制氫的技術路線，現在通常被認為濾氫制備技術的路線當中，左邊的圖里面可以看到其實有四個路線，圖里面最左邊的線就是光解水制氫的技術路線，從技術路線上看，最簡單的制氫路線就是光解水制氫，但是往往最簡單的時候，技術路線或者技術難度是最高的，所以我們的工作就是接下來解決的事情。

怎么解決?做一個對比，我在這里列了三行的圖片，是從原礦開始一直到產品做一個相對應生產環節的對比，比如第一行就是晶硅電池技術全流程的分布圖，它有它的特點，當然現在在全球推廣開來，有它的優勢，簡單可以看一下。

第二行就是鈣鈦礦電池領域的人在參考晶硅電池的技術路線，在模仿相應的電池所開展的工作，上下第一行、第二行的區別其實都是用的礦產資源，只不過在進行材料的合成和制備的時候，晶硅是用的高能耗的電爐進行了冶煉，鈣鈦礦的材料是用了低能耗的化工反應器進行了化學的合成，后面同樣都是用單倍光照射板狀的或者是模狀的材料實現光電轉化，同樣鈦酸鍶也是一種化工合成的材料，當然可以把它列為是典型的鈣鈦礦材料，但是我們的研究后來就做了新思想拓展。

我們最熟悉的就是化工，最要開展的就是化學反應，因此把我們的材料并沒有放進摩爾里面，也沒有放到晶硅板子上面去，而是把它放在了化工反應器里，用陽光作為光電轉換的原料，來實現最終的光電轉換基礎，所以最下面這行是現在對技術的思路是這樣來做的，技術路線其實在打通之后，現在的材料已經委托合作，跟北京的上市公司全部買斷了，已經拿走了，現在把二十六面體在發電和制氫上應用，我們做的技術其實類比的叫投資方，經常類比的就是晶硅等等，我們的技術集成之后，大家在右下角可以看到圖片，現在正在鄭州建設兩千倍聚光的示范縣。

未來在整個技術當中要實現的是綜合光電轉換效率45%，每克鈦酸鍶光解水制氫速率每小時6個毫摩爾，通常全球的數據是6摩爾，我們大概是他們的一千倍到一百倍左右。單倍光STH值是1.15%，當然成本在這里也有，發電大約測算的是0.1到0.15，制氫大約是每千克8到12元，具體的技術路線從這里可以簡單的看一下，左上角就是核心技術、材料，把它要裝在光反應器里，最后把水和聚光之后的太陽光當成是反應原料，最后進到整體的技術里面，在設置里面完成這樣的工作。

現在這項技術，因為已經開發到后期了，最近大約已經申請了20多項專利，其中有5項已經授權，還有幾項現在正在審批當中。根據給中國科學院報的相關考核指標，綜合光電的效率要45，投資大約每千瓦4到6塊錢，度電成本是0.1到0.15，占地大概每千瓦是3到4平米，占地是晶硅的三分之一到四分之一。

整個系統后面有一個合作方，因為氫氣我們只負責制，制之后儲和運由兄弟單位 他們的成熟技術解決后續的儲和運工作。現在看這項技術未來應用的領域應該比較廣，很可能最先推進的是北方地區熱電廠的整體改造，這是大的板塊，再一個是純粹的制氫和發電。另外今天上午還有投資方在跟我對接，他們非常愿意做撬裝式的任務是野外、野戰等等沒有任何能源條件的地區實現這樣的工作。

最后再從整個的模式上，因為現在這項技術和現有的新能源技術有很大的差別，因此在技術架構上和合作模式上都和現在的新能源技術有很大的區別，我們認為技術里面最核心的關鍵材料，甚至是可以類比成英特爾的芯片是在中國人自己手里，因此整個架構并不是一個拿來的事情，而是自己開創推廣的事情，所以模式是不同的。

首先突破了關鍵材料，這是最核心的問題。其次在整個體系當中，真正做到的是從太陽光照射到地球光的強度來算，到最后達到45以上的光電轉換效率，這個和現在的新能源數據、差距是巨大的，而且數據下一步的目標是60%。

在整個技術里面，實際上原有物理的光電轉換以及化學、化工的光反應器的技術，化學物理結合在一起的一套技術，這是全球沒有結合的思路。還有在技術方面利用我們的優勢，因為現在已經從材料拓展到了紫外和可見光的全光域進行光電轉換，在這些技術當中，之所以現在信息很足，包括三年前還在開如何打造世界鍶都的會，原因就是因為中國的鍶資源占全球的57%，因此我們完全有理由和有信心把這樣一項技術開發成中國獨有，而且能夠向世界去推廣和宣傳的新能源技術。

未來如果放在西部地區應該是這樣的場景，大量的反光鏡，由于效率非常高，反光鏡的光高倍聚焦聚在了光反應器里，光反應器未來的目標是黑洞，來的光盡可能留在里面，完成它的光電轉換，未來整體的光電轉換效率目標是60%以上。另外這項技術在開發過程中注意到的優勢，現在還很少有一項技術是能夠自己具備儲能和轉換的功能，都是需要外配套的，我們這項技術是自備儲能、自備轉換的技術，所以我們叫制氫和發電可以互相切換，互為儲能，在整個的系統當中，光反應器是核心，光反應器更像重慶的火鍋，在同一套裝置上可以同時完成兩件事，這也是現在全球沒有在一套裝置上實現兩件事的技術。

最后可以分享兩組數據，一個是現在全國正在對接和建設幾個裝備制造基地，按照未來成套裝備的發電能力，比方說10兆瓦、50兆瓦、100兆瓦等等，每個基地按照2個GW的年制造能力來看，固定資產投資大約2個億，土地還有1個億，占地大約有一百到兩百畝夠了，剩下就是毛利率，應該是比較高了，大約50%左右，投資回收期也很短，大約兩年左右。

單獨看到一套設備的時候，比如10兆瓦和50兆瓦，可以對應看到相應的參數，比如發電量是可以測算出來的，度電的成本同樣也能測算出來，另外同時還能產生氫氣，制氫現在也是國內很熱或者急需的一項技術，只不過我們是光解水制氫，而不是電解水制氫。

時間問題，就把技術向大家分享到這里，感謝大會。