1.1 氫能發(fā)展現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

在全球能源轉(zhuǎn)型的大背景下，氫能作為一種清潔、高效、可持續(xù)的能源載體，正逐漸成為能源領(lǐng)域的焦點(diǎn)。它被譽(yù)為 “終極清潔能源”，燃燒產(chǎn)物僅為水，對(duì)環(huán)境零污染，且能量密度高，是傳統(tǒng)化石燃料的理想替代品。近年來，全球氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，2023 年全球氫氣產(chǎn)量首次突破 1 億噸，同比增長 7.0%，這一數(shù)據(jù)彰顯了氫能在能源結(jié)構(gòu)中的地位日益重要。

中國作為全球最大的制氫國，在氫能領(lǐng)域的發(fā)展更是成績斐然。2023 年我國氫氣實(shí)際產(chǎn)量超過 3570 萬噸，占據(jù)全球產(chǎn)量的三分之一，主要產(chǎn)自西北、華東和華北地區(qū)。在制氫技術(shù)方面，我國已掌握了多種制氫方式，包括煤制氫、天然氣制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫和電解水制氫等。其中，煤制氫憑借我國豐富的煤炭資源和成熟的技術(shù)工藝，占據(jù)了總產(chǎn)能的 54.7%，達(dá) 2709 萬噸；天然氣制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫產(chǎn)能分別為 1090 萬噸和 1030 萬噸。然而，不可忽視的是，目前我國化石燃料制氫占比超 90%，這意味著在制氫過程中會(huì)產(chǎn)生大量的碳排放，與 “雙碳” 目標(biāo)背道而馳。

為了實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展，電解水制綠氫成為了未來的發(fā)展方向。電解水制氫是利用可再生能源（如太陽能、風(fēng)能、水能等）產(chǎn)生的電力，將水電解為氫氣和氧氣，整個(gè)過程不產(chǎn)生碳排放，真正實(shí)現(xiàn)了綠色制氫。2023 年中國電解水設(shè)備出貨量同比增長 53.4%，顯示出行業(yè)的快速發(fā)展態(tài)勢(shì)。但目前該技術(shù)仍面臨效率瓶頸，導(dǎo)致制氫成本居高不下。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前電解水制氫的成本約為 34 元 / 千克，遠(yuǎn)高于化石燃料制氫的成本，這使得電解水制氫在市場(chǎng)競(jìng)爭中處于劣勢(shì)，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。

1.2 中國氫能產(chǎn)業(yè)鏈布局

為了推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，我國在氫能產(chǎn)業(yè)鏈的布局上可謂不遺余力。北京大興氫能示范區(qū)便是一個(gè)典型的例子，這里已構(gòu)建涵蓋氫能制、儲(chǔ)、運(yùn)、加、用全產(chǎn)業(yè)鏈，落地氫能企業(yè)已達(dá) 228 家，形成了產(chǎn)業(yè)聚集效應(yīng)。美錦氫能總部、國電投氫能等一批重點(diǎn)項(xiàng)目相繼建成投產(chǎn)，新增推廣燃料池汽車 626 輛，氫能重卡完成全國首距離測(cè)試，建立 7 條京津冀跨區(qū)域氫能運(yùn)輸示范線，打通了北京氫能運(yùn)輸 “出?！?通道。大興區(qū)氫能示范區(qū)已被評(píng)選為國家級(jí) “綠色低碳示范園區(qū)”，形成了 “5 + 12 + N” 氫能企業(yè)培育發(fā)展體系，核心技術(shù)覆蓋氫能全產(chǎn)業(yè)鏈，共同推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)加速創(chuàng)新發(fā)展。

山西沁源則依托當(dāng)?shù)刎S富的風(fēng)光資源，積極打造綠氫基地。山西鵬飛集團(tuán)與深圳赫美集團(tuán)合作，投資 7 億元建設(shè) 120MW 光伏發(fā)電和年產(chǎn) 2000 噸綠氫項(xiàng)目，包括 120MW 光伏電站、水電解氫裝置、儲(chǔ)氫和氫氣充裝設(shè)施等。常源加氫綜合能源島項(xiàng)目是山西鵬飛集團(tuán)在沁源的首個(gè)氫能項(xiàng)目，計(jì)劃建設(shè) 6 座綜合能源島，基本覆蓋區(qū)域內(nèi)國省干線，目前能源島主體已完工。

預(yù)計(jì) 2025 年，區(qū)域內(nèi)將投入 300 輛氫能重卡、30 輛氫能公交車，推動(dòng) “制儲(chǔ)輸用” 的氫能全鏈應(yīng)用，助力實(shí)現(xiàn)能耗和碳排放 “雙控”。沁源縣還積極探索 “源網(wǎng)荷儲(chǔ)” 一體發(fā)展，以 120 萬千瓦的抽水蓄能電站項(xiàng)目為牽引，統(tǒng)籌推進(jìn) 200 兆瓦獨(dú)立儲(chǔ)能、300 兆瓦光伏發(fā)電以及其他一系列大型能源項(xiàng)目的并網(wǎng)發(fā)電，為綠氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供穩(wěn)定的能源支持。

盡管我國在氫能產(chǎn)業(yè)鏈布局上取得了一定的成果，但水分解效率不足導(dǎo)致成本居高不下的問題仍然突出。以電解水制氫為例，其成本主要由電力成本、設(shè)備成本和運(yùn)維成本等構(gòu)成。由于目前電解水技術(shù)的效率有限，使得制氫過程中消耗的電力較多，從而推高了成本。設(shè)備成本方面，關(guān)鍵設(shè)備如電解槽的價(jià)格昂貴，且使用壽命有限，進(jìn)一步增加了制氫成本。成本問題已成為制約我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心痛點(diǎn)，若不能有效解決，將難以實(shí)現(xiàn)氫能的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。

二、水分解的隱藏能量屏障：氧氣生成的 “分子戲法”

2.1 理論與現(xiàn)實(shí)的鴻溝

水分解作為制取清潔氫燃料的重要途徑，從理論層面來看，其過程簡潔而優(yōu)雅。根據(jù)電化學(xué)理論計(jì)算，水分解只需要 1.23 伏特的電壓，就能將水分解為氫氣和氧氣，這個(gè)過程在理想狀態(tài)下，能量的轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到很高。然而，在實(shí)際的水分解過程中，情況卻復(fù)雜得多。現(xiàn)實(shí)中，水分解需要的電壓高達(dá) 1.5 - 1.6 伏，這比理論值高出了不少。

這種理論與現(xiàn)實(shí)之間的能量缺口，一直是困擾科學(xué)家們的難題，也是阻礙水分解技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵因素。西北大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過深入研究，終于揭開了這個(gè)能量缺口背后的神秘面紗。原來，水分解過程中，會(huì)發(fā)生兩個(gè)半反應(yīng)，分別是產(chǎn)生氫氣的半反應(yīng)和產(chǎn)生氧氣的半反應(yīng)。其中，產(chǎn)生氧氣的半反應(yīng)難度較大，需要所有的反應(yīng)條件都精準(zhǔn)匹配，這就導(dǎo)致它最終消耗的能量比理論計(jì)算的要多得多。

為什么產(chǎn)生氧氣的半反應(yīng)會(huì)如此困難呢？研究發(fā)現(xiàn)，在這個(gè)半反應(yīng)中，水分子需要克服一個(gè) “翻轉(zhuǎn)” 障礙。電極表面帶有負(fù)電荷，而水分子中的氫原子帶正電，氧原子帶負(fù)電。由于電荷的吸引作用，水分子會(huì)自然地將帶正電的氫原子朝向電極表面，而此時(shí)，電子從水中的氧原子到電極活性部位的轉(zhuǎn)移就會(huì)被阻止。為了讓電子能夠順利轉(zhuǎn)移，水分子必須發(fā)生 “翻轉(zhuǎn)”，使氧原子指向電極表面，這樣氫原子就不會(huì)阻礙電子的轉(zhuǎn)移了。但這個(gè) “翻轉(zhuǎn)” 過程需要消耗額外的能量，這就是為什么實(shí)際水分解需要更高電壓的原因之一。

2.2 關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：pH 值調(diào)控與分子動(dòng)力學(xué)

為了深入探究水分解過程中氧氣生成的機(jī)制，西北大學(xué)的科學(xué)家們采用了一系列先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和理論計(jì)算方法。他們利用富含鐵的礦物赤鐵礦作為電極，這種電極材料在水分解反應(yīng)中具有良好的電化學(xué)性能。同時(shí)，Geiger 的實(shí)驗(yàn)室制造了一種水 PR SHG 技術(shù)，這是一種非常強(qiáng)大的分析工具，能夠讓科學(xué)家們直接觀察電極表面上的水分子動(dòng)力學(xué)過程，從而實(shí)時(shí)追蹤水分子在電極表面的行為變化。

通過實(shí)驗(yàn)觀察和數(shù)據(jù)分析，科學(xué)家們有了一個(gè)重大的發(fā)現(xiàn)：水分子的 “翻轉(zhuǎn)” 行為與水的 pH 值密切相關(guān)。在不同的 pH 值條件下，水分子 “翻轉(zhuǎn)” 的難易程度有著顯著的差異。當(dāng)處于較高的 pH 值環(huán)境，也就是堿性環(huán)境時(shí)，水分子翻轉(zhuǎn)的阻力較小。這是因?yàn)樵趬A性溶液中，存在著大量的氫氧根離子，這些離子會(huì)與電極表面的電荷相互作用，改變電極表面的電場(chǎng)分布，從而使得水分子更容易克服 “翻轉(zhuǎn)” 障礙。在這種情況下，電子從氧原子轉(zhuǎn)移到電極上的過程更加高效，水分解產(chǎn)生氧氣的半反應(yīng)也能更順利地進(jìn)行，整個(gè)水分解反應(yīng)的效率得到了顯著提高。

相反，在較低的 pH 值環(huán)境，即酸性環(huán)境中，水分子翻轉(zhuǎn)變得更加困難，需要消耗更多的能量。這是因?yàn)樗嵝匀芤褐写罅康臍潆x子會(huì)與水分子競(jìng)爭電極表面的吸附位點(diǎn)，使得水分子難以按照所需的方式排列，從而增加了 “翻轉(zhuǎn)” 的能量成本。這種情況下，水分解產(chǎn)生氧氣的半反應(yīng)速率會(huì)顯著降低，整個(gè)水分解過程變得緩慢且低效，這也很好地解釋了為什么現(xiàn)有催化劑在低 pH 條件下效率會(huì)驟降。

這一發(fā)現(xiàn)為優(yōu)化水分解反應(yīng)提供了新的思路和方向。通過合理調(diào)控反應(yīng)體系的 pH 值，我們可以降低水分子 “翻轉(zhuǎn)” 的能量障礙，提高水分解的效率，從而降低清潔氫燃料的生產(chǎn)成本，為氫能的大規(guī)模應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

三、突破路徑：從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)升級(jí)

3.1 催化劑設(shè)計(jì)新思路

針對(duì)水分解過程中存在的能量屏障問題，科學(xué)家們?cè)诖呋瘎┰O(shè)計(jì)方面提出了全新的思路。傳統(tǒng)的催化劑在促進(jìn)水分解反應(yīng)時(shí)，往往存在效率低下的問題，無法有效降低水分子 “翻轉(zhuǎn)” 的能量障礙。而如今，研究人員通過對(duì)催化劑表面結(jié)構(gòu)的深入研究，發(fā)現(xiàn)定制化的催化劑表面結(jié)構(gòu)能夠極大地促進(jìn)水分子的定向排列，從而顯著提高水分解的效率。

香港城市大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在這方面取得了重要突破。他們聚焦于金屬氧化物半導(dǎo)體釩酸鉍（BiVO4），這種材料對(duì)可見光及紫外光都有反應(yīng)，被視為光電化學(xué)水分解過程中性能極高的光催化劑。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，低電壓下大量由光激發(fā)的電荷載流子無法被使用，導(dǎo)致能源流失，影響水分解的效能。研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過深入研究發(fā)現(xiàn)，“電子陷阱態(tài)” 及 “小極化子形成” 是導(dǎo)致電荷載流子傳輸不良的主要原因。

為了解決這一問題，研究團(tuán)隊(duì)嘗試對(duì)釩酸鉍進(jìn)行磷摻雜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人驚喜，摻雜磷質(zhì)后的 “釩酸鉍光陽極” 電荷遷移率較一般釩酸鉍增強(qiáng)了 2.8 倍。在 0.6V 的低壓供電下，電荷分離效率提升至 80%，較原有高出 1.43 倍，而在 1.0V 供電下效率更是高達(dá) 99%。此外，摻磷的釩酸鉍還降低了極化子跳躍的能量屏障，抑制了電子陷阱形成，從而改善了電荷載流子傳輸，在 0.6V 供電下展現(xiàn)出破紀(jì)錄的 “光子電流轉(zhuǎn)換效率”，達(dá)至 2.21%。

這一研究成果為低成本綠氫生產(chǎn)提供了新的可能。通過優(yōu)化催化劑的結(jié)構(gòu)和組成，能夠在較低的電壓下實(shí)現(xiàn)高效的水分解反應(yīng)，大大降低了制氫成本。未來，隨著對(duì)催化劑設(shè)計(jì)研究的不斷深入，有望開發(fā)出更多高效、低成本的催化劑，推動(dòng)電解水制氫技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。

3.2 光伏 + 氫能協(xié)同發(fā)展

除了在催化劑設(shè)計(jì)上尋求突破，光伏與氫能的協(xié)同發(fā)展也成為了降低水分解電壓需求、提高 “綠電→綠氫” 轉(zhuǎn)化效率的重要途徑。太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，將其與氫能相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)能源的高效轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)。

山西鵬飛集團(tuán)投資 7 億元建設(shè)的 120MW 光伏發(fā)電制氫項(xiàng)目便是一個(gè)成功的范例。該項(xiàng)目規(guī)劃建設(shè) 120MW 光伏發(fā)電裝置，合理匹配建設(shè)水電解制氫裝置，并建設(shè)儲(chǔ)氫和氫氣充裝裝置及相關(guān)的配套公用工程及輔助生產(chǎn)設(shè)施，擬定生產(chǎn)綠氫 2000 噸 / 年。通過光伏發(fā)電為電解水制氫提供電力，實(shí)現(xiàn)了可再生能源的直接利用，大大降低了制氫過程中的碳排放。同時(shí)，該項(xiàng)目的建設(shè)也為當(dāng)?shù)氐哪茉唇Y(jié)構(gòu)調(diào)整和可持續(xù)發(fā)展做出了積極貢獻(xiàn)。

日本信州大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的二步水裂解系統(tǒng)同樣展示了光伏與氫能協(xié)同發(fā)展的潛力。在這個(gè)系統(tǒng)中，一種光催化劑從水中產(chǎn)生氫，另一種催化劑產(chǎn)生氧。研究團(tuán)隊(duì)通過運(yùn)行一個(gè) 1076 平方英尺（100 平方米）的反應(yīng)堆三年，成功地證明了這一概念。在真實(shí)的陽光下，該系統(tǒng)的太陽能轉(zhuǎn)換效率較模擬光水平提高了約 1.5 倍，模擬標(biāo)準(zhǔn)陽光下的效率最多為 1%，而在自然陽光下的效率接近 5%。

這些案例表明，將可再生能源與優(yōu)化后的催化劑相結(jié)合，能夠有效降低水分解的電壓需求，提高 “綠電→綠氫” 的轉(zhuǎn)化效率。未來，隨著光伏技術(shù)和氫能技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及兩者協(xié)同發(fā)展模式的不斷完善，有望實(shí)現(xiàn) “綠電→綠氫” 轉(zhuǎn)化效率的進(jìn)一步突破，推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展的新階段，為全球能源轉(zhuǎn)型提供強(qiáng)大的動(dòng)力支持。

四、氫能未來：從實(shí)驗(yàn)室到 “氫經(jīng)濟(jì)”

4.1 技術(shù)迭代與成本下降

隨著科技的不斷進(jìn)步，PEM 電解槽去貴金屬化進(jìn)程正在加速推進(jìn)。上海電氣申請(qǐng)的制備 PEM 金屬雙極板防腐蝕復(fù)合涂層的方法和復(fù)合涂層專利，通過使用非貴金屬涂層，減少了貴金屬涂層的使用，為降低 PEM 電解槽成本提供了新的解決方案。荷蘭特溫特大學(xué)研究人員開發(fā)的用于 PEM 電解池電極的新型復(fù)合材料，由幾種地球豐富的元素組成，活性比單個(gè)化合物高出 680 倍，有望在無鉑等稀有貴金屬的情況下實(shí)現(xiàn)高效制氫 。這些技術(shù)突破，將有效降低 PEM 電解槽的成本，推動(dòng)綠氫生產(chǎn)成本的下降。

光催化技術(shù)的進(jìn)步也為綠氫成本降低帶來了希望。云南大學(xué)柳清菊教授團(tuán)隊(duì)與英國倫敦大學(xué)學(xué)院唐軍旺教授團(tuán)隊(duì)、華東師范大學(xué)黃榮教授團(tuán)隊(duì)合作制備的新型光催化劑，分解水制氫量子效率高達(dá) 56%，為低成本綠氫生產(chǎn)開辟了新路徑。南開大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院教授羅景山課題組與英國劍橋大學(xué)、瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)，通過開發(fā)制備以 [111] 為主要晶體取向的多晶 Cu2O 光電極，實(shí)現(xiàn)了光電催化制氫性能的突破 。這些研究成果表明，光催化技術(shù)在提高水分解效率、降低制氫成本方面具有巨大潛力。

隨著這些技術(shù)的不斷迭代和完善，綠氫成本有望從當(dāng)前的 6 美元 /kg 降至 2 美元以下。屆時(shí)，綠氫將在成本上與灰氫展開有力競(jìng)爭，為大規(guī)模應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。國家氫燃料電池質(zhì)檢中心等基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，也將為技術(shù)的落地提供保障。該中心位于大興國際氫能示范區(qū)，總建筑面積 5.7 萬平方米，具備全鏈條一站式檢測(cè)能力，能為企業(yè)提供研發(fā)標(biāo)定、功能驗(yàn)證、性能測(cè)試等服務(wù)，加速技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)的進(jìn)程。

4.2 氫能生態(tài)構(gòu)建

北京冬奧會(huì)的氫能示范項(xiàng)目，為氫能在交通領(lǐng)域的應(yīng)用樹立了典范。賽事期間，816 輛氫燃料電池汽車投入使用，其中包括豐田的第二代 MIRAI 和氫能版中巴車柯斯達(dá)，以及福田的歐輝氫燃料客車等。這些車輛搭載的氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)，如億華通的產(chǎn)品，展現(xiàn)出了良好的性能，為賽事提供了綠色、高效的運(yùn)輸服務(wù)。這不僅是氫能在重大國際賽事中的首次大規(guī)模應(yīng)用，也標(biāo)志著氫能在交通領(lǐng)域的可行性得到了充分驗(yàn)證。

長治市的 “源網(wǎng)荷儲(chǔ)” 一體化項(xiàng)目，則展示了氫能在工業(yè)和能源領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。該項(xiàng)目將電源、電網(wǎng)、負(fù)荷和儲(chǔ)能形成協(xié)同工作系統(tǒng)，優(yōu)化新能源供應(yīng)和需求平衡。其中，襄垣縣 “源網(wǎng)荷儲(chǔ)” 一體化項(xiàng)目總投資 129.47 億元，太平金燁 110 千伏輸變電工程已并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了新能源就近消納和調(diào)峰調(diào)頻電力平衡，預(yù)計(jì)可使襄垣經(jīng)開區(qū)綠電占比 50% 以上。這一項(xiàng)目的實(shí)施，推動(dòng)了傳統(tǒng)能源企業(yè)向綜合能源供應(yīng)轉(zhuǎn)變，為打造綠色能源可持續(xù)發(fā)展樣板做出了積極貢獻(xiàn)。

未來，“氫能 + 儲(chǔ)能” 的組合將成為重構(gòu)能源格局的重要力量。氫能具有能量密度高、清潔無污染的特點(diǎn)，而儲(chǔ)能技術(shù)則能解決氫能生產(chǎn)和使用過程中的間歇性問題，兩者結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)能源的穩(wěn)定供應(yīng)和高效利用。在 “雙碳” 目標(biāo)的引領(lǐng)下，氫能將在能源結(jié)構(gòu)中扮演越來越重要的角色，助力全球能源向綠色、低碳轉(zhuǎn)型。我們應(yīng)持續(xù)關(guān)注科技前沿，積極推動(dòng)氫能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，共同見證氫能時(shí)代的到來。

參考資料來源于：新京報(bào) 環(huán)球網(wǎng) 一點(diǎn)資訊 光明網(wǎng)等媒體的公開報(bào)道