大连化物所陈萍：氨与储氢
2016-12-01 15:05:32
摘要：2016中国国际能源峰会暨展览会于2016年11月28日-30日在北京国家会议中心召开。大连化物所洁净能源实验室氢能部部长陈萍在储氢及加注分会场作了“氨与储氢”报告。
以下为陈萍作报告的文字实录：
陈萍：我们实验室定位基础研究，还有一个就是应用基础研究。我个人一个研究就是技术研究，所以，我不知道今天讲的对不对大家的胃口。现在开始，想和各位老师，企业界朋友探讨一下氨。我分4个部分，首先介绍一下这个载体，接下来介绍一下研究团队，就是这个氢化物，还有氨作为载体方面一些研究进展。这个是非常具有挑战性的一个课题。刚刚他们介绍了这个高压的业态氢，我也是注意到了，很多的企业对于高压气瓶，对于这个非常的感兴趣。但是我们学术界除了这两个方面以外。其实还有一个材料，就是什么呢？就是学术界比较关注一个对象，因为这个材料他具有比较高的一个体积密度。刚刚蒋老师讲的一些情况。
比如说，这个重量百分比13.6%，这个是非常高的。但是，这些材料也是有他的缺点，比如说，就是这个就是脱氢温度非常的高。这个不可以满足这个车载这个要求。美国这个2020年这个目标，这个就是5.5%，但是，这个5.5%就是指系统的能量的氢含量，如果考虑 材料，这个是达到11%左右。所以，很多的这个氢化物没有办法美国DOE的目标。另外一个方面，就是什么呢？就是也是可以气态，也是可以业态形式储存下来。比如说甲烷，大家都是很熟悉，天然气，天然气氢含量很高，25%的重量百分比，这个接下来介绍一下研究团队，就是在这个里面，就是这些氢化物，这个作为载体方面一个研究进展。我们研究团队就是2002年的时候，就是报告了一下，这个就是可以在上面一个行为。这个过程是什么呢？这个过程就是很简单，就是这个氢气反映，就是这个就是氨机理这些材料，这个过程就是这样一个过程。但是，这个缺点都是温度比较高。这样的话就可能形成了一个形成一个复合材料，左边这些材料。他们都是含有这个。而右面这些材料呢？比如说，氨机理，井这些都是含有正氢。将这两个材料符合了以后，都是根据正氢生成氢气一个原理，都是可能具有这个性能的。而我们的试验就是表明了，这些复合材料具有一定的性能。在这个材料设计里面指导下，我们开发了一系列的新型的材料体系。比如说，这个金属这个。这个安合物，还有紧合物等等。大家看到有黄色的标记，还有白色标记。这个什么区别？这个黄色标记这些材料，他的这个氢量比较的低。一般就是8%以下。但是，这个优点，是可逆的一个。这个白色的标记这些材料，大家可以看到，这个含量可以比较的高，最高的就是15%。但是，什么缺点？不可逆的。但是，什么意思？这个脱氢了以后就不可能加氢，所以，就是一次性的这个氢的载体。这些组成上面来看有一些共同特点，都是含有氮元素。我们都是知道，这个就是组成的。工业上面用的这个催化剂，这个里面都是有含有碱金属。他们两者有什么关联呢？这个是我们在思考的问题。这个能量密度，除了核能以外，这个煤和石油具有非常高的重量和体积密度，这个就是为什么煤和石油是我们当前社会主要的能源载体。我们还可以看到，就是这个氨具有非常重金的能量密度，这个是氨一个优势。这个有很高的氢含量。这个也是容易很多的。
那么，还有很重要的一点，就是什么呢？就是我们可以看到就是氮气和氢气组成的。不含有炭，这个不含有温室气体的。那么，还有一点，就是什么呢？我们学术界和工业界考虑这个问题了，他们也是设计了一些新的方法，设计一些材料，他可以把氨吸附下来，这样，即便泄露空气里面，这个量也是非常少，这个对于人危害也是会减少。比如说，日本，英国，德国，美国，也是这个方面进行了积极的部署。特别是日本，2013年开始，日本的科学技术机构GST，启动了两个项目，其中都是把这个对氨作为一个载体，都是认为这个是一个具有非常非常重要的一个应用前景的一个载体。这个运输目的地以后，用催化剂将氨分解掉，这个就是加氢站来用，这个就是这样学术界也是想一些办法。就是采用一些西安的材料，可以将到这个级别。当然，如果是碱性电池，还有固体氧化物，就是高温的电池，这个氨可能就不存在这样一个问题。这样一个氨循环，他其实主要就是包括什么呢？一个是核成氨，还有就是氨分解，两个非常关键的步骤。这个也是高能耗过程，这个能耗占全球能源供应总量1%到2%，我国合成氨能耗占化学工业能耗总量4分之一。所以，可以看到这个工业是一个工业大户。这个就是可以进行的，为什么不可以进行？就是这个动学阻力太大，这个需要高温，高压。还需要一个存在。所以，长期以来，这个就是开发低温的催化剂，这个一直就是化学家们，化工专家们努力追求的目标。这个就是学术界研究比较好。这个催化剂，一般就是集中在贵金属。还有就是温度，还有就是氨的转化率。那么，我们可以看到，比如说，这个红色线，这个是贵金属的催化剂。想达到这个氨的完全转化，这个对于这个金属上面说一下，这个就是450度以上，这个对于这个而言。比如说，就是绿色的线，就是需要更高温度，需要在550度，600度以上的高温。显而易见，这样一个温度，这个是什么呢？就是限制了这些材料的应用。因而，这个领域大家一直想开发出来，低温高效，就是非重金属一个催化剂。怎么去开发这些催化剂呢？这个其实就是需要我们做技术研究的来努力，就需要我们去认识一下这个合成氨这个过程到底怎么进行的？我们知道这个过程怎么进行的？有可能提出来，就是这个开发出来一个催化剂。这个示意图讲一下，就是这个过程为例，这个就是氮气和氨气。这个就是生成氮氢2，再到空气里面，这个就是氨气了。那从这个示意图上面看，怎么开发这个高效的合成氨催化剂了？很简单一个想法，一个直接的想法，这个催化剂对于氮气和氢气要有很强一个作用。但是，对于氨有很弱的一个作用。但是，很遗憾，就是什么呢？我们近期的这个基础研究结果表明，这个在已有过度催化剂上面不可能实现的。为什么呢？这个是因为在过度基础上面就是存在着一个本真一个东西，一个内在一个东西。这个东西就是限行限制关系，这个就是近年来认识到的，以前大家做催化剂，这个都是炒催化剂，就是在试。现在就是知道了，这个怎么试？这个都是很难开发出来一个好的合成氨催化剂。这个就不讲这个关系，希望大家都是知道，有这样一个限制关系，限制的合成氨的催化剂开发。
我们想怎么做呢？刚刚大概2002年的时候有报道氢气相互作用，生成这个过程。那么，这个过程呢？其实对于我们开发合成氨催化剂就是具有很重要的一个意义。当然，这个是我们后来才认识到的，我们对这个材料研究过程当中，我们发现这个分解过程，就是这个上面有很大的差别。没有技术存在的时候。这个只分解氨。铁存在的时候，还有氮气和氢气，这个图就是我们的一系列的铁催化剂，氨分解活性。可以看到这个材料，这个都是没有活性的。但是，如果你将过度金属铁，还有这个材料复核在一起，我们可以看到，这个分解活性得到很大的改善。我们通过基础研究来研究这个到底是什么作用呢？让这个材料具有很好的一个氨分解活性。我们发现这两者其实可以发生化学反映，生成一个三元氮化物。这个化物在这个循环当中起很重要的作用。这个氨分解催化剂，找到一个好的催化剂，很可能对于合成氨也是有催化的作用。所以，就拓展到合成氨这个过程当中。那么这个图就是什么呢？就是我们一个材料。就是过度金属。三D过度金属，就是其他的一些金属元素。然后，把它放在一起测试这个活性。我们可以看到，上面4个线分别就是什么呢？分别就是4种金属形成的催化剂。大家可以看到，有这个存在的合成这个性能，这个比贵金属高非常的多。这个成本也是有所下降的，这个也是需要说明的。其他没有合成铵烆的。我们可以看到的，这一条红色线，这个都是得到大幅度的提高。大概提高可以有10倍到1万倍左右。这个取决于金属了。
目前呢？在合成铵大家了解比较多的，活性最好的就是色促进的疗养化美催化剂，我们文献报道里面经常拿它作为一个催化剂。那么，我们催化剂和他相比，这个性能怎么样呢？大家可以看到这个红色这个柱状图，这个就是什么呢？这个还是高2到4倍。而且，这个材料是一个没有载体的。那么，如果把它放载体上面，我们可以看到这个铁这个催化剂，这个就是氧化镁以后，这个活性比铁高出40%左右。我们也是要知道这个起什么作用？这个也是不展开了，这个有一张示意图，给大家展示一下。刚刚说了，就是传统的过度金属催化剂上面，氮气，氢气，氨他们都是基础上面进行的。而在我们的体系上面，我们引入了一个他不是过度金属。这个合成銨，这个是在过度金属还有氢化铝界面上面进行的。最终一个效果，就是刚刚我所说的，就是那个过度金属就是那个限制关系，就是限制关系，因为那个加入被打破。所以，他的催化活性比那个本身高出非常的多。这个图就是对比了左边，是我们这个复核催化剂的活性。右面就是合成銨活性。一方面就是说明了我们的这个复核催化剂，就是过度金属，还有这个材料，复核这个体系，这个就是本身高出非常的多。另外一个方面，大家可以看到，这个黑色线这个是像一个火山。这个是专业里面通常说的一个火山型曲线，红色线，我们可以看到，这个不是火山型，这个是一个高地。这个现象呢？其实也是暗示了刚刚所说那个关系，那个已经被打破了。这个就是元素周期表，大家可能如果对于化学了解的，大家都是知道，这个是搞化学人一个宝贝。刚刚我也是介绍了我们这个催化剂这个元素。这个就是3D过度金属，我们知道的，这个不光是有那个。过度金属不光是有其他的一些，还有很多的过度金属。所以，我们这个体系的研发其实也给我们开出了一个新的一个空间。就是我们通过对于这个元素组成，还有这个结构进行优化。那么我们是不是有可能开发出来了，真正具有工业应用价值的这个合成氨催化剂呢？我相信我们会一直为这个目标而努力的。
最后总结一下，实现这个氨作为这个载体，这个氨分解非常重要的一个过程。我们就是在什么呢？就是对于催化剂研究方面做了一些工作，我们希望这些工作可以推动氨作为这个载体概念，可以走出来，可以走到企业界，走到工业界。另外一个方面，想借我们今天这个报告，我们也是向大家说明一下，就是什么呢？基础研究，这个其实在推动技术创新，还有经济发展方面其实也是具有很重要的一个作用的。你只有在对这个技术研究有很深的认识以后，才有可能什么呢？就是设计，就是理性设计和开发新的催化剂，还有新的技术，从而推动企业的升级改造，还有社会的进步。那样的话无论是成本，还是资源，都是一种浪费。
最后谢谢大家。如果大家对于我们这个载体的想法感兴趣或者有不同的意见。我们都是欢迎大家和我们交流和沟通。最后谢谢大家，欢迎大家大连交流访问。谢谢。(能源新闻网)
