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。它被譽為 “終極清潔能源”，燃燒產(chǎn)物僅為水，對環(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產(chǎn)生大量的碳排放，與 “雙碳” 目標(biāo)背道而馳。

為了實現(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，整個過程不產(chǎn)生碳排放，真正實現(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。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競爭中處于劣勢，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)便是一個典型的例子，這里已構(gòu)建涵蓋氫能制、儲、運、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項目相繼建成投產(chǎn)，新增推廣燃料池汽車 626 輛，氫能重卡完成全國首距離測試，建立 7 條京津冀跨區(qū)域氫能運輸示范線，打通了北京氫能運輸 “出?！?通道。大興區(qū)氫能示范區(qū)已被評選為國家級 “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。山西鵬飛集團與深圳赫美集團合作，投資 7 億元建設(shè) 120MW 光伏發(fā)電和年產(chǎn) 2000 噸綠氫項目，包括 120MW 光伏電站、水電解氫裝置、儲氫和氫氣充裝設(shè)施等。常源加氫綜合能源島項目是山西鵬飛集團在沁源的首個氫能項目，計劃建設(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 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 “制儲輸用” 的氫能全鏈應(yīng)用，助力實現(xiàn)能耗和碳排放 “雙控”。沁源縣還積極探索 “源網(wǎng)荷儲” 一體發(fā)展，以 120 萬千瓦的抽水蓄能電站項目為牽引，統(tǒng)籌推進(jìn) 200 兆瓦獨立儲能、300 兆瓦光伏發(fā)電以及其他一系列大型能源項目的并網(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，若不能有效解決，將難以實現(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，在實際的水分解過程中，情況卻復(fù)雜得多?，F(xiàn)實中，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)的研究團隊經(jīng)過深入研究，終于揭開了這個能量缺口背后的神秘面紗。原來，水分解過程中，會發(fā)生兩個半反應(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算的要多得多。

為什么產(chǎn)生氧氣的半反應(yīng)會如此困難呢？研究發(fā)現(xiàn)，在這個半反應(yīng)中，水分子需要克服一個 “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，水分子會自然地將帶正電的氫原子朝向電極表面，而此時，電子從水中的氧原子到電極活性部位的轉(zhuǎn)移就會被阻止。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，這樣氫原子就不會阻礙電子的轉(zhuǎn)移了。但這個 “翻轉(zhuǎn)” 過程需要消耗額外的能量，這就是為什么實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)控與分子動力學(xué)

為了深入探究水分解過程中氧氣生成的機制，西北大學(xué)的科學(xué)家們采用了一系列先進(jìn)的實驗技術(shù)和理論計算方法。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，Geiger 的實驗室制造了一種水 PR SHG 技術(shù)，這是一種非常強大的分析工具，能夠讓科學(xué)家們直接觀察電極表面上的水分子動力學(xué)過程，從而實時追蹤水分子在電極表面的行為變化。

通過實驗觀察和數(shù)據(jù)分析，科學(xué)家們有了一個重大的發(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，水分子翻轉(zhuǎn)的阻力較小。這是因為在堿性溶液中，存在著大量的氫氧根離子，這些離子會與電極表面的電荷相互作用，改變電極表面的電場分布，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。這是因為酸性溶液中大量的氫離子會與水分子競爭電極表面的吸附位點，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)速率會顯著降低，整個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)用奠定堅實的基礎(chǔ)。

三、突破路徑：從實驗室到產(chǎn)業(yè)升級

3.1 催化劑設(shè)計新思路

針對水分解過程中存在的能量屏障問題，科學(xué)家們在催化劑設(shè)計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，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)的研究團隊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。研究團隊經(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，研究團隊嘗試對釩酸鉍進(jìn)行磷摻雜。實驗結(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，隨著對催化劑設(shè)計研究的不斷深入，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。

山西鵬飛集團投資 7 億元建設(shè)的 120MW 光伏發(fā)電制氫項目便是一個成功的范例。該項目規(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，該項目的建設(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)的研究團隊開發(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。研究團隊通過運行一個 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，有望實現(xiàn) “綠電→綠氫” 轉(zhuǎn)化效率的進(jìn)一步突破，推動氫能產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展的新階段，為全球能源轉(zhuǎn)型提供強大的動力支持。

四、氫能未來：從實驗室到 “氫經(jīng)濟”

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，活性比單個化合物高出 680 倍，有望在無鉑等稀有貴金屬的情況下實現(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)柳清菊教授團隊與英國倫敦大學(xué)學(xué)院唐軍旺教授團隊、華東師范大學(xué)黃榮教授團隊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)院團隊，通過開發(fā)制備以 [111] 為主要晶體取向的多晶 Cu2O 光電極，實現(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，綠氫將在成本上與灰氫展開有力競爭，為大規(guī)模應(yīng)用奠定堅實基礎(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能力，能為企業(yè)提供研發(fā)標(biāo)定、功能驗證、性能測試等服務(wù)，加速技術(shù)從實驗室走向市場的進(jìn)程。

4.2 氫能生態(tài)構(gòu)建

北京冬奧會的氫能示范項目，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)動機，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證。

長治市的 “源網(wǎng)荷儲” 一體化項目，則展示了氫能在工業(yè)和能源領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。該項目將電源、電網(wǎng)、負(fù)荷和儲能形成協(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” 一體化項目總投資 129.47 億元，太平金燁 110 千伏輸變電工程已并網(wǎng)穩(wěn)定運行，實現(xiàn)了新能源就近消納和調(diào)峰調(diào)頻電力平衡，預(yù)計可使襄垣經(jīng)開區(qū)綠電占比 50% 以上。這一項目的實施，推動了傳統(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，而儲能技術(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，積極推動氫能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，共同見證氫能時代的到來。

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