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如今,，空氣污染、溫室效應(yīng),、氣候變化,，令石油、煤炭等傳統(tǒng)化石能源失去昔日光環(huán),；消耗巨大,、儲(chǔ)量有限，更是讓能源危機(jī)的陰影籠罩世界,。我國(guó)作為世界最大的發(fā)展中國(guó)家,，能源需求仍在持續(xù)增長(zhǎng)，能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)也存在較大問(wèn)題,。2018年,，我國(guó)能源消費(fèi)中煤炭占59.0%。石油和天然氣雖然比重較小,，但是對(duì)外依存度很高,。貧油、少氣,、煤炭較多,，我們?nèi)绾纬浞职l(fā)掘煤炭的潛力，保障能源安全,？黑色的煤炭能否給我們帶來(lái)綠色的驚喜,？迎接能源革命，新能源百花齊放,，氫能更是備受矚目,，甚至被譽(yù)為解決未來(lái)人類能源危機(jī)的終極方案,。然而，目前氫能技術(shù)尚未成熟,，還面臨成本高,，效率低等諸多難題，氫能社會(huì)離我們還有相當(dāng)距離,。氫能發(fā)展目前遭遇到哪些技術(shù)瓶頸,？我們?cè)撊绾瓮黄疲?/section>面對(duì)重重難題，催化技術(shù)被寄予厚望,。催化是一種化學(xué)作用,，它可以改變化學(xué)反應(yīng)的難易程度和速度，是自然界中普遍存在的重要現(xiàn)象,。比如消化,、發(fā)酵等過(guò)程都離不開(kāi)各種酶的催化。而在工業(yè)生產(chǎn)中,，絕大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)也都是在催化劑的作用下進(jìn)行的,。那在能源領(lǐng)域，催化技術(shù)如何大顯身手,？如何通過(guò)催化技術(shù)破解現(xiàn)實(shí)中的種種能源難題,？ 演講 | 包信和 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)校長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士 編輯 | 巨穎 本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)“中國(guó)經(jīng)濟(jì)大講堂”（ID：cctvzgjjdjt）,，原文首發(fā)于2019年12月30日,，標(biāo)題為《破解能源危機(jī)的金鑰匙是什么？》,，不代表瞭望智庫(kù)觀點(diǎn),。 包信和，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)校長(zhǎng),、中國(guó)科學(xué)院院士,。 今天我想從科技工作者的角度跟大家討論一下，關(guān)于經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展,。好多環(huán)境問(wèn)題都是和能源有關(guān)系的,，能源又離不開(kāi)化學(xué)。那么我們現(xiàn)在從化學(xué)家的角度來(lái)看,，未來(lái)的能源世界會(huì)是一個(gè)什么樣子呢？在綠色可持續(xù)發(fā)展當(dāng)中,，化學(xué)到底能做些什么事,？這里面最重要的一件事情就是催化科學(xué)。我們都是搞化學(xué)的,，我們很自豪,。我們一直都在講化學(xué)是中心科學(xué),，我們生活在一個(gè)化學(xué)時(shí)代。在整個(gè)能源環(huán)境當(dāng)中,，實(shí)際上我們化學(xué)一直在做的就是這三個(gè)元素：一個(gè)是碳,，一個(gè)是氫，一個(gè)是氧,。碳跟氧結(jié)合,，氧多了就是二氧化碳；碳跟氫結(jié)合起來(lái)就是烴類,，烴類就是我們的油品,，我們的化學(xué)品；氫跟氧結(jié)合起來(lái)就是水,，或者就是其它一個(gè)水,，我們化學(xué)基本上就是做這樣一件事兒。催化是化學(xué)當(dāng)中的一個(gè)非常重要的領(lǐng)域,。大家可以看到,，不管是電解水也好，轉(zhuǎn)化反應(yīng)也好,，處理二氧化碳也好,，沒(méi)有哪一件事情會(huì)離開(kāi)催化這件事。催化如何促進(jìn)綠色經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,，要聚焦在這三個(gè)方面：一個(gè)就是化石資源的優(yōu)化利用,，就是我怎么把化石資源利用好；第二個(gè)事情就是我們有沒(méi)有可能把二氧化碳利用起來(lái),；第三個(gè)事情,，也是現(xiàn)在大家比較關(guān)心的事情，就是氫能做燃料電池,，我們到底怎么看這樣一件事兒,。首先來(lái)看看我們國(guó)家整個(gè)的能源環(huán)境，關(guān)于綠色發(fā)展都遇到了哪些挑戰(zhàn),？“貧油,、少氣”，如何通過(guò)催化發(fā)掘煤炭的巨大潛力,？
世界上能源結(jié)構(gòu)的比例是三分之一左右是煤,，三分之一左右是石油，再三分之一左右是天然氣,，大概還有一部分是可再生能源,。但是對(duì)于中國(guó)來(lái)說(shuō)，情況就不一樣了。
中國(guó)在能源結(jié)構(gòu)中長(zhǎng)期以來(lái)一直是以煤為主導(dǎo)的,，甚至有些地方的煤可以達(dá)到80%,。但通過(guò)現(xiàn)在這幾年的變化，我們使用煤的情況在能源結(jié)構(gòu)里面的占比逐步降低了,，去年煤的使用大概就占到60%左右,。按照現(xiàn)在石油開(kāi)采的量，中國(guó)探明的可開(kāi)采的石油大概可以采十二年,，天然氣大概是三十年左右,，煤多一點(diǎn)，大概就是四,、五十年的樣子,，或者是更多一點(diǎn)。而從對(duì)外依存度來(lái)看,。比如說(shuō)現(xiàn)在我去加一箱油,，70%左右是進(jìn)口的，30%是我們中國(guó)自己開(kāi)出來(lái)的,；天然氣大概45%左右是進(jìn)口的,， 50%左右是我們自己開(kāi)出來(lái)的。中國(guó)的能源強(qiáng)度非常高,，能源強(qiáng)度是什么意思呢,？一萬(wàn)美元的GDP（國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值），我們中國(guó)消耗的能源跟國(guó)外消耗的能源不是可比的,。本世紀(jì)初的時(shí)候,，我們消耗的能源大概是日本的8—10倍。也就是說(shuō),，我們生產(chǎn)一萬(wàn)美元的GDP（國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值）,，我們消耗比如說(shuō)是8份的煤，日本人可能就消耗1份的煤,。所以我們的效率確實(shí)是非常之差的,，再加上由于燒煤這個(gè)事兒，對(duì)我們的空氣、水的污染非常之大。到底中國(guó)怎么發(fā)展,？從2000年到2018年中國(guó)石油、天然氣的對(duì)外依存度數(shù)據(jù)來(lái)看,，所謂依存度，就是我們到底要進(jìn)口多少？2018年我們進(jìn)口的天然氣大概是45%，進(jìn)口的石油依存度大概是70%,。但我們現(xiàn)在一年開(kāi)發(fā)多少油呢,？大概最大的產(chǎn)出量不到2億噸，現(xiàn)在差不多1.9億噸這個(gè)樣子,，但我們要用到6億噸這樣的油。接下來(lái)我們肯定是開(kāi)發(fā)不了這么多,，但對(duì)于中國(guó)來(lái)說(shuō),，真正資源占比比較大的，相對(duì)來(lái)講就是煤,。自然界有它的一個(gè)安排,，中東那一塊油多，中國(guó)這一塊相對(duì)來(lái)講就是煤多,。有些煤礦里面,，十幾米全是煤，就堆在那個(gè)地方,，我們?cè)儆脵C(jī)器去把它挖出來(lái)就是煤,，而且就是好煤。所以對(duì)我們中國(guó)來(lái)講,，有一件事情是很有必要做的,，而且是戰(zhàn)略性的，就是怎么把我們已有的資源,，把我們的煤變成我們有少的油,、天然氣或者我們的化學(xué)品。這塊東西美國(guó)人不做,，因?yàn)樗麄兊挠?、天然氣很多，它根本不?huì)要用煤來(lái)做這個(gè)事兒,。歐洲人做不做呢,？歐洲人也不做。所以實(shí)際上這一塊東西,，就是非常有中國(guó)特色的,，我們是一定要將此作為我們戰(zhàn)略的儲(chǔ)備。但做完以后是不是馬上就開(kāi)成工廠大量生產(chǎn),？這個(gè)不一定,，要看經(jīng)濟(jì)情況。經(jīng)濟(jì)有需求我就用它,，經(jīng)濟(jì)沒(méi)有需求我就不去用,，但是我們一定要知道怎么做能把煤變成油，或者變成化學(xué)品,，這個(gè)是我們一直在做的,。我想我們?cè)谧目赡芤灿泻芏嗳艘苍谧鲞@件事,，而且這件事情還是中國(guó)人做得最好。比如煤制油這一塊,，我們中國(guó)16萬(wàn)噸年產(chǎn)量,，煤制油做了好多，我們中國(guó)最大的一個(gè)煤制油的工廠在寧夏的寧東這塊地方,。最大的一個(gè)裝置一年可以供我們生產(chǎn)400萬(wàn)噸油,，這個(gè)量就是很大的。中國(guó)還做了一件事就是把煤先變成甲醇,，然后再把甲醇變成烯烴,。烯烴是一種碳和氫組成的化合物，它是重要的化工基礎(chǔ)原料,。廣泛用于生產(chǎn)塑料,、橡膠、服裝,、汽車,、家具、裝飾材料,、包裝材料等多種產(chǎn)品,。在工業(yè)上，烯烴主要通過(guò)石油裂解來(lái)生產(chǎn),，也可以通過(guò)甲醇,、乙醇等其他原料等制取。如果能直接利用煤生產(chǎn)烯烴,，可以大大降低石油的消耗,。煤變成甲醇以后，再把甲醇變成烯烴,，然后再把它變成聚烯烴,，整個(gè)這是一個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈。以前烯烴我們都是怎么來(lái)的呢,？都是煉油過(guò)程當(dāng)中產(chǎn)生的石腦油,，把石腦油裂解變成烯烴。10噸的原油大概可以煉3噸的石腦油,，3噸的石腦油可以煉一噸的烯烴,，10噸的原油才能搞出一噸烯烴來(lái)。我們中國(guó)大概一年消耗烯烴大概就4000萬(wàn)噸左右,，也就是說(shuō)煉油能力就要到4億噸才能夠做這樣一件事?，F(xiàn)在呢大家可以看到，有1000多萬(wàn)噸我們可以從煤中來(lái),，這解決了很大的一個(gè)問(wèn)題了,。所以這個(gè)對(duì)中國(guó)人來(lái)說(shuō)是很重要的,。但是一談到煤這件事吧，好多地方都打怵,，為什么打怵呢,？一個(gè)是因?yàn)槊河形廴荆粋€(gè)就是中國(guó)還缺水,。大家都知道,，可能有些人對(duì)這個(gè)煤化工了解，要搞煤化工它一定要用水,。我們到底怎么來(lái)解決這樣一個(gè)問(wèn)題？那么我先給大家看一看煤是一個(gè)什么樣的東西,，別以為煤就是個(gè)炭,，不是的。你要把煤仔仔細(xì)細(xì)看到里面,，它有很多分子,。自然界經(jīng)過(guò)光合作用，把二氧化碳跟水什么東西弄在一起,，氫同碳弄在一起就變成不同的芳烴,。這樣一個(gè)烴的分子后面再埋在地下去以后，這些分子慢慢就在這個(gè)里面了,，這些分子好多都是我們需要的,。那么大家在想，有沒(méi)有可能直接把煤用催化劑把它像剪刀一樣剪下來(lái),，變成我們需要的東西呢,？大家知道，石油煉制它是用催化劑把這個(gè)油品剪斷以后,，拿出我們需要的東西來(lái),。那么哪一天有沒(méi)有可能這個(gè)煤也找到一個(gè)催化劑，或者怎么樣把它剪斷,，不就是我們需要的東西了嗎,？1924年，有兩個(gè)德國(guó)人,，一個(gè)叫弗朗茲·費(fèi)歇爾,，一個(gè)叫漢斯·托羅普施，他們就把這個(gè)過(guò)程弄出來(lái),，叫“費(fèi)托過(guò)程”,。九十多年來(lái)，一直是這樣一個(gè)過(guò)程,?！百M(fèi)托過(guò)程”是怎么做的呢,？是用一個(gè)水跟這個(gè)一氧化碳反應(yīng)，變成了一個(gè)氫氣加二氧化碳,，就是水煤氣變化反應(yīng),。那接下來(lái)再用這個(gè)氫氣把這個(gè)一氧化碳的氧給拿掉，變成了水,，一氧化碳跟氫反應(yīng)就變成了CH2（低碳烯烴）,。那我們現(xiàn)在做了個(gè)什么事呢，這十幾年我們就做了一件事兒,，就是不用費(fèi)托反應(yīng)這個(gè)催化劑了,，而用另外一種氧化物作為催化劑。就直接用催化劑把這個(gè)一氧化碳跟這個(gè)氧反應(yīng),，變成了二氧化碳,，這個(gè)碳跟這個(gè)氫反應(yīng)變成了這個(gè)東西。那么一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是不用水了,，再循環(huán)是沒(méi)有了,；還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是把這三步的反應(yīng)最后就變成一步了。現(xiàn)在世界上做得最好的,，比如說(shuō)做烯烴,，也就做到58%的低碳烴選擇性。那我們就用這個(gè)反應(yīng)去做,，因?yàn)樗x擇性高了嘛,，它一下可以做到百分之九十幾的低碳烴選擇性。大家知道,，這個(gè)百分五十八同百分九十幾可是差別很大了,。這件事情出來(lái)以后，我們不光是就做這樣一個(gè)反應(yīng),，我們把這個(gè)概念進(jìn)一步推廣,，它實(shí)際上是一個(gè)平臺(tái)，最起碼可以少用水,，少排二氧化碳,，少耗能，因?yàn)檫@個(gè)過(guò)程就節(jié)能,，而且它的反應(yīng)選擇性高,。所以這個(gè)過(guò)程也就是一個(gè)綠色的過(guò)程，我為什么講催化能夠來(lái)支撐綠色發(fā)展呢,？支撐這個(gè)協(xié)調(diào)發(fā)展呢,？那這個(gè)也就是我們做的一件事，就通過(guò)催化在煤化工當(dāng)中來(lái)支撐綠色發(fā)展這樣一件事,。全球變暖已成為制約人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要障礙,，溫室氣體排放將導(dǎo)致全球平均氣溫上升,，引發(fā)冰蓋融化、極端天氣和海平面上升,，危及人類生存,。二氧化碳是當(dāng)今最主要的溫室氣體，也是人類面臨的最大挑戰(zhàn)之一,，聯(lián)合國(guó)專門針對(duì)二氧化碳減排進(jìn)行過(guò)諸多努力,。但是，在科學(xué)家眼中,，二氧化碳除了危害,，還是一種儲(chǔ)量豐富的“碳源”，如果能借助科技手段將其“變廢為寶”,，不僅能緩解碳排放引發(fā)的溫室效應(yīng),，還將循環(huán)利用，成為理想的能源補(bǔ)充形式,。如何將溫室效應(yīng)的元兇，變成我們可持續(xù)發(fā)展的資源呢?
什么叫溫室效應(yīng),？我們小時(shí)候在鄉(xiāng)下買棒冰，賣棒冰的人會(huì)把這些棒冰擺在一個(gè)箱子里,，上面用被子把它蓋好,，當(dāng)有人來(lái)買了，幾分錢一根就拿走了,。我小時(shí)候就一直就想不大通,，為什么要把棒冰用被子蓋起來(lái)呢？棒冰不是怕熱嗎,？用被子蓋起來(lái)不是更熱了嗎,？因?yàn)槲覀兤匠６加羞@種印象，我們冬天天冷才蓋被子,，為什么要把棒冰蓋著被子拿出來(lái)賣呢,？我后來(lái)慢慢就知道了，實(shí)際上,，蓋被子是為了隔熱,，使熱量不散發(fā)出去，達(dá)到保溫的效果,。所以現(xiàn)在大家就認(rèn)為,，二氧化碳多了以后，就在我們的大氣層上面產(chǎn)生一個(gè)像被子一樣的東西,，把地球給蓋上了,。但地球的能量從哪來(lái)的呢,？是從太陽(yáng)來(lái)的，太陽(yáng)的能量有很大的一部分是要通過(guò)紅外光散發(fā)到大氣當(dāng)中去的,，以此來(lái)保持地球溫度基本平衡,。那么，假如說(shuō)給地球蓋上一個(gè)“被子”,，不管厚的,、薄的，那來(lái)自太陽(yáng)的能量散發(fā)起來(lái)不就是難了嗎,？地球溫度不就增加了嗎,？所以根據(jù)這個(gè)理論就說(shuō)，二氧化碳是溫室氣體,。 世界上大概一年要將400億噸左右的二氧化碳排放到大氣當(dāng)中去,。早年中國(guó)的二氧化碳排放量是非常低的，總量非常低,，人均排放就更低,，那個(gè)時(shí)候歐美這些發(fā)達(dá)國(guó)家排放的量是很大的。這幾年以后,，這個(gè)量慢慢在增加,。改革開(kāi)放以后，在經(jīng)濟(jì)有了大的飛躍以后,，我們的二氧化碳排放量是非常大的,。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2018年的數(shù)據(jù)來(lái)看,，中國(guó)每年要排100億噸左右的二氧化碳,，其中工業(yè)排放的二氧化碳特別多，以煤為主的這樣一個(gè)能源結(jié)構(gòu)使中國(guó)在環(huán)境方面的壓力非常大,。國(guó)際社會(huì)就坐在一起商量,，大家認(rèn)準(zhǔn)了二氧化碳是溫室氣體，它會(huì)對(duì)地球的溫升包括環(huán)境有很大的影響,。那么大家就在考慮要限制二氧化碳的排放,。西方人就說(shuō)要先限制，先把一個(gè)總量控制好,，先把該減的減下來(lái),。所以，不管是《巴黎協(xié)定》也好,，氣候談判也好,，中國(guó)都在其中發(fā)揮了很大的作用。最后我們中國(guó)認(rèn)為，西方發(fā)展得比較早,，而二氧化碳在大氣層中可能都是經(jīng)過(guò)百年或者幾百年排放的積累了,。那么，現(xiàn)在中國(guó)要發(fā)展了,，而西方突然限制了,，我們就變成不能排放了。曾經(jīng)有一段時(shí)間飛機(jī)飛到歐洲去要收碳稅的,，不收碳稅就不讓飛機(jī)降落,，因?yàn)轱w機(jī)排放二氧化碳。所以,，萬(wàn)一未來(lái)哪一天世界上都說(shuō)二氧化碳是一個(gè)問(wèn)題,，中國(guó)人排放了三分之一的二氧化碳，一定要收中國(guó)人的稅,，我們還真沒(méi)辦法解決,，是吧？大家又在說(shuō)了,，我能不能用能源,，但是不排二氧化碳呢？但是我們知道,，只要是用了化石能源,，碳加氧總要產(chǎn)生二氧化碳。一噸的煤就要排放兩,、三噸以上的二氧化碳,。還有人說(shuō),，二氧化碳是能量來(lái)的,，那么我就少用能，但少用能的話對(duì)發(fā)展來(lái)說(shuō)是不是就有問(wèn)題了呢,？我們中國(guó)就想對(duì)國(guó)際社會(huì)承諾,，二氧化碳排放與發(fā)展是有關(guān)系的，但并不是說(shuō)少排了二氧化碳發(fā)展就一定慢了,。從這個(gè)地方來(lái)看,，減少二氧化碳的排放和發(fā)展之間的關(guān)系也不是完全對(duì)應(yīng)的，也就是說(shuō)我們還是要想辦法用可再生能源,，少排二氧化碳,，這樣就對(duì)國(guó)際社會(huì)、對(duì)大家都有好處,。但是現(xiàn)在假如說(shuō)可用的可再生能源也不多,，現(xiàn)在二氧化碳也都排出來(lái)了，或者馬上還要排二氧化碳怎么辦呢,？美國(guó)人就想了個(gè)辦法,，叫CCS,，即二氧化碳捕獲和封存技術(shù)，將產(chǎn)生的二氧化碳收集起來(lái),，把它變純了之后再把它壓縮,。我們不是已經(jīng)開(kāi)了那么多煤礦嗎？我們最后能不能把這些壓縮的二氧化碳藏到礦井里面去,，或者藏到巖石里面去,？還有人說(shuō)藏到海底去。美國(guó)人用的這個(gè)方法叫CCS（二氧化碳捕獲和封存技術(shù)）,，要花很多錢,，大家都在做這件事。大家判斷一下,，將壓縮的二氧化碳擺到巖層下面去或者擺到什么地方去,，這個(gè)事情是不是靠譜呢？當(dāng)然要是保存得好的話也是蠻好的,。但萬(wàn)一哪天地震了或者什發(fā)生什么自然災(zāi)害呢,？關(guān)鍵問(wèn)題是什么呢？就是費(fèi)用特別大,，大到什么程度呢,？比如說(shuō)，我們現(xiàn)在最高的發(fā)電廠的能源效率大概是50%左右,，一半的廢熱散掉了,，還有一半就是發(fā)電了。假如用這個(gè)方法去弄,，以后發(fā)電效率就變成40%,，也就說(shuō)有10%的能源都去處理二氧化碳了，那這個(gè)事情到底是不是合適呢,？但是現(xiàn)在也在研究,，也沒(méi)有哪個(gè)地方大規(guī)模地做這件事。但馬上就會(huì)有人問(wèn)了,，我們能不能把二氧化碳用起來(lái)呢,？最近還有人在做什么事呢？就是在電催化轉(zhuǎn)化上面二氧化碳加甲烷這兩個(gè)共轉(zhuǎn)化以后,，變成化學(xué)品甲醇,，將來(lái)再變成乙烯、乙醇這樣的東西,。假如說(shuō)未來(lái)直接用電把二氧化碳在電極上面用水或者甲烷這樣?xùn)|西,，就能變成我們需要的化學(xué)品，我認(rèn)為這個(gè)過(guò)程還是可行的。因?yàn)殡娀瘜W(xué)過(guò)程規(guī)模做得比較大的,，而且它的法拉第效率相對(duì)講比較高,，專一性比較強(qiáng)。實(shí)際上重要的一件事情是什么呢,？就是把二氧化碳轉(zhuǎn)化這件事可以看成一個(gè)儲(chǔ)能的過(guò)程,。也就是說(shuō)，你把風(fēng)能弄來(lái),，把二氧化碳變成甲醇,，實(shí)際上就是把這個(gè)光電風(fēng)產(chǎn)生的電能，最后就變成了甲醇,，把能量?jī)?chǔ)存到甲醇里面,，甲醇再一燃燒就獲得能量了。很多人就暢想,，未來(lái)有沒(méi)有可能做成一個(gè)樹(shù)葉,，因?yàn)闃?shù)葉是通過(guò)光合作用把水、二氧化碳變成我們需要的烴類了,。那么未來(lái)有沒(méi)有可能用人造樹(shù)葉直接進(jìn)行轉(zhuǎn)化,？還有人就用一個(gè)光反應(yīng)器，直接把二氧化碳,、水加進(jìn)去,，光一照，在催化劑上面,，我們就可以得到燃料,、油品。這些有沒(méi)有可能在可再生能源場(chǎng)景下轉(zhuǎn)化二氧化碳呢,？我自己認(rèn)為是可能的,，但什么時(shí)候能實(shí)現(xiàn)就不知道了，就得要靠大家來(lái)共同做這個(gè)事兒,。我想大家都是任重道遠(yuǎn),，這個(gè)事情在科學(xué)上都是可行的,，但怎么把這些事情變成一個(gè)實(shí)際的過(guò)程,，要大家去費(fèi)很多勁來(lái)做這件事，所以這是一個(gè)美好的愿景,。人類對(duì)能源的追求永無(wú)止境,，而各種新銳能源正演繹著各自的風(fēng)云，試圖在未來(lái)的能源體系中占據(jù)主導(dǎo)地位,，氫能就是其中之一,，它被稱為21世紀(jì)的終極能源。在人們的期待中，氫能取之不盡,、清潔高效,，還不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳這種溫室氣體，不會(huì)有化石能源的枯竭焦慮,。
2018年我國(guó)將氫能源及燃料電池的產(chǎn)業(yè)定為發(fā)展元年,，日本也成為全球首個(gè)將氫能發(fā)展定為國(guó)家戰(zhàn)略的國(guó)家。但是,，不可否認(rèn)的是,，現(xiàn)在的氫能還不是最方便、最實(shí)用的能源,，很多卡脖子的技術(shù)問(wèn)題還制約著氫能的廣泛應(yīng)用,。未來(lái)，我們?nèi)绾谓鉀Q氫氣主要依靠化石能源制備的問(wèn)題,？怎樣突破氫燃料電池的耐久性和氫氣的儲(chǔ)存問(wèn)題,？2050年，將氫氣作為新能源的愿景能否實(shí)現(xiàn),？催化能否助力氫能社會(huì)早日到來(lái),？
現(xiàn)在社會(huì)上一直在講氫能，還有氫能經(jīng)濟(jì),、氫能社會(huì),，都在講這樣的事情。但是我們搞化學(xué)的人要有個(gè)判斷,，氫能到底會(huì)是怎么樣,？未來(lái)會(huì)怎么走？在什么情況之下我們才能說(shuō)氫能這件事,？
當(dāng)能源碳跟氧反應(yīng)，比如說(shuō)當(dāng)空氣和汽油,、柴油等燃料一混合,，遇到火花就會(huì)發(fā)爆炸，這樣的爆炸在氣缸內(nèi)進(jìn)行,，會(huì)產(chǎn)生高溫高壓的燃?xì)?，推?dòng)活塞做功，內(nèi)燃機(jī)就是這樣來(lái)的,，它所產(chǎn)生能量大概效率是是百分之三十幾這個(gè)樣子,，還有百分之六十幾就損失掉了。碳是自然界里就有的,，我們是能夠挖出碳來(lái)的,，但是它產(chǎn)生溫室氣體——二氧化碳,。所以大家可以看到，自然界它還是很平衡,、很公平的,，有的東西一定會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生不好的東西出來(lái)。氫很好,，跟氧一反應(yīng)就能生成水,，但是問(wèn)題就是在自然界當(dāng)中，氫是不存在的,。氫可以用于燃料電池,，而且它的運(yùn)行效率很高，可以達(dá)到60%,，但是自然界當(dāng)中沒(méi)有氫氣,。我們從沒(méi)聽(tīng)說(shuō)有人可以在什么地方挖到一個(gè)氫氣礦出來(lái)。所以,，雖然氫能的利用會(huì)產(chǎn)生水,，沒(méi)有污染，但是氫這個(gè)原料在自然界是沒(méi)有的,。為什么人們會(huì)想到利用氫這回事呢,？大家可以看到，從我們?nèi)祟惖哪茉窗l(fā)展來(lái)講,，最早是木材,，木材基本上就是碳，也含有一點(diǎn)點(diǎn)氫,；后面是煤炭,，煤炭里面大概是兩分碳一分氫；再到后面發(fā)展到石油,，石油大概是兩分氫一分碳,；再后面就是天然氣，天然氣是四分氫一分碳,。從這個(gè)發(fā)展過(guò)程看下來(lái),，基本上人類的能源發(fā)展是逐步向氫碳比高的方向邁進(jìn)的。氫氣在自然界當(dāng)中是沒(méi)有的,，但是水通過(guò)電解可以產(chǎn)生氫氣,，而且它可以跟可再生能源連在一起。有這些條件以后,，大家就認(rèn)為氫可能是未來(lái)非常重要的一個(gè)能源,。未來(lái),，氫能在我們的能源體系當(dāng)中可能會(huì)起到什么樣的作用,？現(xiàn)在的能源體系是怎么做的呢,？化石能源，我們可以把它變成液體材料,，像油這樣的東西,，最后到終端用戶。還有一個(gè)很重要的事兒,，就是化石能源可以發(fā)電,，變成電能以后到終端用戶。但我想未來(lái)再怎么變,，電總不會(huì)少,，核能也好，光也好,，風(fēng)也好,，電是不能少的。但是電力能不能開(kāi)飛機(jī)呢,？現(xiàn)在還沒(méi)有這樣的飛機(jī),。假如說(shuō)未來(lái)有了氫燃料電池可以開(kāi)飛機(jī)、開(kāi)船,，就類似于跟油差不多一樣的道理了,。所以在未來(lái)能源體系當(dāng)中，氫就有可能替代現(xiàn)在液體燃料的角色,。要把氫能這一塊做起來(lái),，會(huì)有個(gè)很長(zhǎng)的產(chǎn)業(yè)鏈。首先自然界是沒(méi)有氫氣的,，你要制備出氫氣出來(lái),，接下來(lái)儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)換,、應(yīng)用,。所以大家可以看到，整個(gè)一個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈有好多作研究的人在做這么一件事,。比如制備過(guò)程,，制氫的方法很多，通過(guò)化石能源 ,、水電解,、化工原料、工業(yè)尾氣等,。全世界一年大概用5000億立方米的氫氣,，非常遺憾的是在這個(gè)制氫結(jié)構(gòu)當(dāng)中，4%是從可再生能源來(lái)的,，96%是化石能源來(lái)的,。使用化石能源就要排放二氧化碳,，所以，要想發(fā)展氫能經(jīng)濟(jì)燃料電池,，就一定要跟可再生能源連起來(lái),。未來(lái)可以從可再生能源發(fā)展，用光,、風(fēng),、核能把水電解變成氫，只有在這個(gè)時(shí)候,，整個(gè)氫能才能夠被利用起來(lái),。所以我要套用一句廣告詞，自然界當(dāng)中實(shí)際上是沒(méi)有氫的,，沒(méi)有氫能的,，氫能實(shí)際上就是可再生能源的搬運(yùn)工，把可再生能源從這里搬到那里而已,。那么氫能利用我們到底有什么卡脖子的事情,？搞了這么長(zhǎng)時(shí)間，為什么就沒(méi)有搞起來(lái)呢,？這個(gè)問(wèn)題到底在哪里呢,？大家可以看到，一個(gè)是制造技術(shù),， 怎么把燃料電池制造得非常之可靠,。氫跟氧在這個(gè)燃料電池上面它是不反應(yīng)的，它一定要有催化劑,。催化劑是什么呢,？貴金屬催化劑，用鉑,、鈀,、釕這樣的東西。這個(gè)貴金屬呢,，它是吸附氫或者吸附氧,，解離以后呢，氫氧才在表面反應(yīng),，反應(yīng)以后再電子傳遞才會(huì)發(fā)電,。所以大概算了算，現(xiàn)在最好的就是這樣一個(gè)技術(shù),，依靠現(xiàn)在的條件,，一部車子大概需要50克左右的鉑。你們現(xiàn)在誰(shuí)有一個(gè)白金的項(xiàng)鏈或者一個(gè)戒指,，50克重也不這么容易吧,？搞一個(gè)車子就要50克,。出點(diǎn)錢倒沒(méi)什么問(wèn)題，比如現(xiàn)在有錢的,，50克能有多少錢呢,？50克,，我估計(jì)可能幾萬(wàn)塊錢,，可能也能拿下來(lái)吧？是不是,？也不一定算什么,，但是這些貴金屬自然界中沒(méi)有這么多量，所以就有問(wèn)題,。所以就出來(lái)一個(gè)什么研究呢,？非貴金屬催化劑做燃料電池。燃料電池的耐久性問(wèn)題,，已經(jīng)獲得了比較好的突破,。原來(lái)為什么有這個(gè)問(wèn)題呢？就是燃料電池在實(shí)驗(yàn)室做,，做3000小時(shí)5000小時(shí),，一點(diǎn)問(wèn)題沒(méi)有，但是一放到車上去開(kāi),，一兩千小時(shí)就不行了,。為什么就不行了呢？燃料電池它是要吸空氣的,，不是嗎,？空氣里面有粒子，粒子里面就有金屬,，貴金屬,，還有硫。這種東西一吸進(jìn)去以后,，燃料電池的催化劑,，它就慢慢就中毒了。就因?yàn)檫@些東西,，膜也就堵塞起來(lái)了,，催化劑就中毒了。本來(lái)在實(shí)驗(yàn)室搞得好好的,，到這個(gè)地方就不行了,。接下來(lái)一個(gè)很重要的一個(gè)事情就是儲(chǔ)氫。這個(gè)氫大家知道,，實(shí)驗(yàn)室也有儲(chǔ)氫的鋼瓶,。氫是很輕的,，是不是？你要把這個(gè)氫帶到車上去,，你可不能弄太大的東西,，你一定要把它弄得很小。現(xiàn)在有三個(gè)辦法,，把它弄得很小,。一個(gè)辦法是壓縮氫，就把氫壓在鋼瓶里,。我們現(xiàn)在不是用鋼瓶嗎,？但我們實(shí)驗(yàn)室的鋼瓶大概是130個(gè)大氣壓、150個(gè)大氣壓,，在實(shí)驗(yàn)室里很少有超過(guò)200個(gè)大氣壓的,。據(jù)說(shuō)車子上中國(guó)現(xiàn)在已經(jīng)在搞標(biāo)準(zhǔn)，在搞350個(gè)大氣壓,，日本人是搞多少呢,？700個(gè)大氣壓。大家可以看到,，700個(gè)大氣壓同300個(gè)大氣壓就差一倍多一點(diǎn),，同這個(gè)150個(gè)大氣壓相比就差5倍，是不是,？也就說(shuō),，150大氣壓的鋼瓶，儲(chǔ)存的氫在車上可以跑100公里,，假如700個(gè)大氣壓,，同樣的鋼瓶?jī)?chǔ)存的氫可以跑差不多500公里。所以儲(chǔ)氫相對(duì)比較好的還是氫瓶,，現(xiàn)在基本上世界范圍之內(nèi)都是這么干,。第二個(gè)事情是什么呢？就把氫冷卻下來(lái),，變成液氫,。冷卻下來(lái)到這個(gè)地方呢，再把它釋放這個(gè)出來(lái),。這個(gè)氫密度是很高的,，但是安全性差，而且它要耗很多能量,，把它冷卻下來(lái),。而且在行駛過(guò)程當(dāng)中，還得防止瓶子漏氣了，一漏氣以后熱量就進(jìn)去了,，接著就放出來(lái),，可能就得爆炸了。假如說(shuō)這個(gè)壓力太高了,，它不就爆炸了嗎,？所以安全性這地方還有問(wèn)題。第三個(gè)事情,，這都是我們化學(xué)搞的,，材料儲(chǔ)氫。各式各樣的儲(chǔ)氫材料,，高分子的也有,，金屬的也有,，用納米碳管的也有,，什么東西都有。但非常遺憾,，迄今為止重量百分比都沒(méi)有達(dá)到6%,。也就說(shuō)，100公斤的儲(chǔ)氫材料,，都儲(chǔ)不了6公斤的氫,，儲(chǔ)氫的效率是太低了！假如有一天,，儲(chǔ)氫能達(dá)到10%這個(gè)樣子就好了,。因?yàn)樗鼔毫σ膊桓撸前?？就?chǔ)在這個(gè)里面,。所以，燃料電池要做起來(lái)以后,，儲(chǔ)氫的這個(gè)事情還得要考慮,，你不考慮你是沒(méi)辦法走下去的。日本人最近氫能推廣得很厲害,，大家可能也都知道,，日本人已經(jīng)做到什么程度呢？到2040年它要普及,，2020年就有4萬(wàn)臺(tái),。大家可以看到，日本人是用700大氣壓儲(chǔ)氫的,，大概儲(chǔ)氫的重量比是7.5%,。那么也就是說(shuō)，這里面如果用個(gè)大的瓶子，它可以走得很遠(yuǎn),。那么它的行駛里程,，據(jù)說(shuō)到2040年的時(shí)候，可以跑1000公里,。大家想一想,，假如加一次氣跑1000公里，倒也是蠻好的,，是吧,？我們中國(guó)從奧運(yùn)會(huì)開(kāi)始就有燃料電池車的示范，從上海的那個(gè)世博會(huì)開(kāi)始,，一直在作這樣一個(gè)示范,，包括現(xiàn)在還在作這個(gè)示范，一直在做,，做得也是蠻好的,。但是還是有很多問(wèn)題，特別是制氫,。大家知道,，張家口我們2022年是要搞冬奧會(huì)的，冬奧會(huì)里面就希望能夠推氫能燃料電池這樣一個(gè)事兒,，所以最近他們就在搞一個(gè)項(xiàng)目,，就是用這個(gè)風(fēng)同太陽(yáng)能產(chǎn)生電，電解水制氫,，制氫以后就運(yùn)行在燃料電池車子,。這件事情假如做成了以后，我認(rèn)為意義還是很大的,，經(jīng)濟(jì)上可能馬上起不到作用,，到不了經(jīng)濟(jì)實(shí)用這樣的程度，但最起碼為未來(lái)作了個(gè)示范,。所以中國(guó)也有個(gè)目標(biāo),，到2035年，中國(guó)希望一公斤的氫能夠降到25塊錢,。一公斤氫大概就是11立方米左右,，現(xiàn)在跑得好的車子，據(jù)說(shuō)一公斤氫可以跑100公里不到一點(diǎn),。大家知道油現(xiàn)在多少錢一升呢,？可能是六、七塊錢左右一升,，是不是,？那么一升油大概能跑多遠(yuǎn)呢？小車大概一般跑100公里，好的車子耗油大概五,、六升的樣子,，大型的SUV，可能就要15升這個(gè)樣子,，那么就是要60塊錢,，是吧？那假如百公里消耗氫氣能夠變到一公斤,，跑100公里25塊錢,，就是跑50塊錢，我認(rèn)為也是合算的,。
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