科普 | 氢能新材料研发方向大揭秘

新材料是氢能的基石和先导，是处于各个产业链最上游、技术壁垒最高的部分，将为新一轮科技革命和产业革命提供坚实的物质基础。氢能产业链主要包括氢气制备、氢气分离与提纯、氢气存储、氢能转换等环节，对新材料提出了越来越迫切的需求。

1、制氢新材料

长期以来，氢气主要依靠天然气及煤等非可再生化石资源的重整来获得，存在不可持续且不环保等问题，而利用可再生能源(如太阳能)，通过电解水制氢或光解水制氢是实现绿色可持续制氢的理想途径。其中，电解水制氢对新材料的核心要求是开发高效且稳定的非贵金属催化材料，而光解水制氢对新材料的核心要求是研制高效且稳定的宽光谱吸光半导体材料。

目前，电解水制氢催化剂主要以贵金属(如铂、氧化铱及氧化钌等)为主，其资源稀缺性及高昂的价格使其无法在大规模工业化制氢中应用，因此迫切需要开发地壳含量丰富、成本低、制备方法简单且催化活性优异的非贵金属催化材料。

非贵金属电催化材料种类繁多，其中极具发展潜力的材料主要由铁、钴、镍、钼、钨等过渡金属元素及氧、硫、硒、氮、磷、碳等非金属元素组成。在各类新型催化材料中，过渡金属合金、过渡金属(氢)氧化物、过渡金属硫族化合物、过渡金属氮化物及磷化物等材料备受关注。

制氢催化剂的研发主要以减少或替代贵金属催化剂为目标，不断发掘有潜力的新型催化材料，通过优化成分、形貌及物相等策略，尽可能地增加催化剂的活性位点数目并提高单个活性位点的活性，最终提升整体催化活性及稳定性。同时，探索原子尺度新材料(如亚纳米级或单原子级催化材料)，以获得与贵金属相当的催化性能是一个研究重点。

2、氢气分离和提纯新材料

制氢过程中通常会不可避免地混入其他杂质气体，如甲烷蒸汽重整制氢中含有一定量的CO2及CO，电解水及光解水制氢中含有氧气(尤其是粉体光催化制氢)。因此，在氢气利用之前，需要对其进行分离和提纯。

氢气的分离与提纯技术主要包括变压吸附、分馏/低温精馏及膜分离等技术。其中，膜分离技术因具有能耗低、可连续运行、成本低及操作简便等优点，是最具应用前景的氢气分离技术。

膜材料是膜分离技术的基础和核心，主要包括有机膜、无机膜及有机无机杂化膜三类。有机膜的典型代表是高分子膜，如纯相高分子膜、多相高分子膜及高分子混合基质膜等。这类材料是最早投入商业化应用的膜材料，也是目前市场上主流的气体分离材料，具有成本低及易制备等优点，但存在耐高温和耐腐蚀性能差等缺点。高分子膜材料的研究重点是通过优化成膜工艺，调控膜的孔道尺寸与结构，提高其分离性能。

无机膜主要包括碳基膜材料、硅基膜材料、金属类膜材料及沸石类膜材料等，研究重点是优化制备参数，调控膜的孔径及孔结构，获得与目标筛分气体相匹配的性质。与高分子膜材料相比，无机膜具有较好的耐高温及耐腐蚀性能，但因其组成与结构相对固定，调控自由度相对较低。

有机/无机杂化膜的典型代表是金属有机框架膜材料，由有机配体和金属单元自组装形成周期性的网络结构，具有多样化的孔道结构，可根据具体应用场景进行灵活调控。

由于有机配体和金属中心离子之间有多种组合，其衍生物较多，易实现多种功能。氢气分离与提纯膜材料在应用过程中需要解决的重点问题是提高其服役过程中的稳定性、实现大面积及高质量可控制备、降低维护成本等。

3、储氢新材料

氢气在常温常压下具有密度低、易燃烧及易扩散的特点，为其储存带来极大的挑战。如何实现安全可靠且高效储氢是亟待解决的技术难题之一。

目前，储氢方法主要有高压气态储氢、低温液态储氢及固态储氢等途径，中长期内主要以高压气态储氢为主，最终目标是实现高效固态储氢。高压气态储氢是应用最广泛的一种储氢方式，其技术核心在于内胆材料、外层碳纤维材料及其缠绕成型技术。

继高压气态储氢及低温液态储氢之后，利用固体材料及有机液体材料进行储氢，已逐渐发展成为一种极具潜力的储氢方式。虽然关于储氢材料的研究已近半个世纪，但目前仍处于探索阶段，尚无大规模应用实例，这主要是因为缺乏廉价、高效、长寿命的新型储氢材料。理想的储氢材料需同时满足一系列苛刻条件，如储氢密度高、储放氢速度快且工作条件温和、可逆循环性能好、使用寿命长等。

目前已有多种材料被用于储氢研究，主要包括无机材料与有机材料两大类。其中，无机储氢材料主要有金属与金属合金、配位氢化物及碳基材料等，有机材料主要有有机框架化合物、有机液体及多孔高分子等。从目前的研究热点来看，储氢材料已从传统金属及合金逐渐转变为以轻质元素氢化物(如配位氢化物等)和多孔吸附材料(如金属有机框架结构)为主。

4、氢能转换中的新材料

氢气目前主要作为工业原料应用于石油、化工、化肥及冶金等领域，如合成氨、石油精炼及甲醇生产，三大领域占比约为90%，而其作为清洁燃料及其他方面的应用仅占10%。氢气作为燃料最具吸引力的应用是燃料电池(用于发电、新能源车等)，其最终的产物是水，可实现真正的零污染。

但目前燃料电池主要使用贵金属铂及其合金作为氧还原及氢氧化的催化剂，成本仍较高。一般来说，燃料电池中贵金属成本约占整个燃料电池成本的40%。同制氢新材料发展目标和趋势类似，在保持催化性能不变的情况下，大幅度降低贵金属的用量是当前亟待突破的瓶颈。中长期目标是部分替代贵金属，而长远目标则是使用不含贵金属且廉价的新型高效催化材料。