編者按：9月14日，第五屆未來能源大會(huì)舉辦氫能技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展專題論壇，聚焦于氫能領(lǐng)域的前沿技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展。本次論壇由中國能源研究會(huì)氫能專業(yè)委員會(huì)秘書長徐文輝主持，與會(huì)專家學(xué)者從氫能技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)、前沿技術(shù)研究和應(yīng)用案例等幾個(gè)方面，對氫能產(chǎn)業(yè)以及未來能源的可持續(xù)發(fā)展展開深入探討。

中科院研究院段東平先生作了《光解水制氫才是綠氫發(fā)展之路》演講。

以下內(nèi)容根據(jù)論壇演講實(shí)錄進(jìn)行整理。

段東平：剛才說人沒有氧活不了，沒有氫活不好，我再加兩句，沒有水，生不下來，沒有陽光活不下去。就是想提前給我的演講命題做個(gè)宣傳。

我的命題今年6月份第一次在青海的格爾木，第二次是7月份在山東青島做了相同的演講報(bào)告，但是感覺反響并不強(qiáng)烈，似乎很少有人往這方面想也很少有人往這方面做研究，當(dāng)然全世界也沒有類似的生產(chǎn)線和產(chǎn)品。

今天提這個(gè)概念，我想在常州具備這樣的氛圍。光和水之間其實(shí)就是在地球上我們?nèi)祟惿娴淖罨镜膬蓚€(gè)條件，這兩個(gè)生存條件其實(shí)也是我們?nèi)祟愖盍畠r(jià)的兩個(gè)資源。水，幾乎是沒有成本的，而且可以肯定的是太陽光是沒有成本的，所以用沒有成本的原料去制備我們所需要的氫和氧，才是最廉價(jià)的，因此我們提出一個(gè)概念，什么叫綠呢?待會(huì)在報(bào)告里面會(huì)有相關(guān)的內(nèi)容，全球?qū)錃獾亩x也有明確的定義，比如灰氫、藍(lán)氫、綠氫，綠氫的要求是什么?排碳最少。現(xiàn)在排碳最少的是電解水制氫，因此大家統(tǒng)統(tǒng)把電解水制氫稱作了綠氫，接下來我把我的內(nèi)容給各位做一個(gè)分享。

內(nèi)容分四部分，重點(diǎn)是在推薦我們前天在常州未來新能源大賽剛剛獲得一等獎(jiǎng)的我的一個(gè)技術(shù)。2019年建國70周年的時(shí)候，中國科學(xué)院學(xué)部給中央提交了一個(gè)報(bào)告，報(bào)告里面有很多內(nèi)容，我選了兩個(gè)圖，出現(xiàn)了兩條S型的線，這個(gè)S型的線在全球是通用的，資源開發(fā)的力度和能源消耗量幾乎是一致的，因此它說明了一個(gè)問題，人均GDP事實(shí)上也跟這個(gè)S型的曲線成正比關(guān)系。中國的發(fā)展跟其他國家有所不同，在最近的四十的年間飛速發(fā)展，所以我們S型線的上升梯度也非常大。

在雙碳政策出臺之后，尤其是2021年國家對氫能政策給予了明確的指示之后，各種相關(guān)的文件、政策陸續(xù)出臺，這個(gè)時(shí)候我們國內(nèi)各行各業(yè)都開始關(guān)注這個(gè)事情。其中有一個(gè)非常重要的概念，就是氫究竟是用來干什么的。現(xiàn)在在現(xiàn)有的能源體系下，氫更多的是被看作是一種儲能的方式。但是我個(gè)人非常傾向這樣一個(gè)觀點(diǎn)，氫是未來能源的終極形式。在我的技術(shù)里邊，就是把氫和電作為最終的兩個(gè)能源形式來看待的。

氫之所以獨(dú)特，不光是從環(huán)保性上，人們通常認(rèn)為的對工業(yè)、對民用使用上的便利，更重要的是氫的燃燒值非常高，相同重量的氫是汽油燃值的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍，單位質(zhì)量的燃值經(jīng)濟(jì)性非常好，而且它燃燒之后釋放的是水，這是它巨大的優(yōu)勢。也因此全世界也都在共同推進(jìn)氫能的發(fā)展。我們可以看，幾乎所有國家都把2030年作為一個(gè)階段性的目標(biāo)，因此在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)上我們國家也制訂了相應(yīng)的政策，

從國家明確出臺政策之后，我們國內(nèi)首先是央企旗幟鮮明的站出來要發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，類似中石油、中石化這樣的大型國企紛紛站出來。但是遺憾的是，中石油、中石化恰恰是灰氫的主產(chǎn)企業(yè)。我們國家2022年氫氣的總產(chǎn)量大約3500萬噸，其中3400多萬噸都是灰氫，基本上都集中在中石油、中石化這樣的大型企業(yè)里面。

從現(xiàn)在對氫的用途來看，是紛紛出現(xiàn)的小企業(yè)以及應(yīng)用研發(fā)技術(shù)層出不窮的源泉。大家更多的關(guān)注它的用途。因?yàn)閺漠a(chǎn)量上講，不論是灰氫、綠氫還是藍(lán)氫，它有體量放在那里，現(xiàn)在是三千多萬噸，大約在2035年左右要達(dá)到5億噸的數(shù)量，以大規(guī)模生產(chǎn)為主，因此應(yīng)用端的需求是層出不窮的，而且是細(xì)分的。從氫的結(jié)構(gòu)來看，現(xiàn)在電解水制氫只是很小的一個(gè)比例，而且也只是把電解水當(dāng)做綠氫來看待。

技術(shù)路線，首先看右側(cè)這個(gè)圖，灰氫是多碳，藍(lán)氫是少碳，真正的綠氫是指的零碳排放才叫綠氫。大家通常所理解的綠氫是指的電解水制氫，電解水制氫現(xiàn)在有三種技術(shù)路線。電解現(xiàn)在更多的是要用新能源的電來完成這項(xiàng)工作，新能源的電似乎就接近綠氫了。但是真正用新能源來產(chǎn)氫，有四條路徑，有三條路徑是電解水制氫的路徑，它其實(shí)是比較復(fù)雜的，每個(gè)工藝環(huán)節(jié)都有設(shè)備的投入、有材料的選擇、有原材料的消耗等等，工藝路徑越長，它的設(shè)備投資、造價(jià)都會(huì)越高，因此它和零碳排放的距離其實(shí)就越遠(yuǎn)。光解水制氫的技術(shù)路線的核心問題不在路線上，而在靠什么來光解，催化劑才是它的核心技術(shù)。這條技術(shù)路徑是最短的，因此它在碳排放上未來一定是最低的，只有通過光解的技術(shù)路線未來才能真正實(shí)現(xiàn)綠氫。實(shí)現(xiàn)綠氫不代表在短期內(nèi)綠氫就能占主導(dǎo)地位，畢竟產(chǎn)量還是很重要的問題。

真正的光解水制氫從技術(shù)路線上講很明確的，最簡單也是最便宜的水分解方法。但是越簡單的事情實(shí)現(xiàn)起來越困難，所以它明確的強(qiáng)調(diào)了水分解過程效率很低，需要額外的能量來分離氫和氧氣，光穩(wěn)定的狀態(tài)是一個(gè)限定的環(huán)境，如何實(shí)現(xiàn)具有挑戰(zhàn)性，這是現(xiàn)在我們對光解水制氫技術(shù)路線的認(rèn)識，它的難度其實(shí)是巨大的。

從國內(nèi)外的情況來看，現(xiàn)在的綠氫，電解水制氫只有4%，產(chǎn)量依然很低，競爭力也嚴(yán)重不足。但是越是在這種大氛圍下，才越有科技創(chuàng)新的動(dòng)力和發(fā)展前景。

重點(diǎn)的是在工業(yè)界要考察它的成本，對用戶來說并不關(guān)心究竟排碳對用戶的影響是多大，而是關(guān)心它的成本。現(xiàn)在我們說用光解水來制氫，現(xiàn)在預(yù)測的成本基本上是人民幣8到10塊錢/公斤。如果用電解水的方式來完成，現(xiàn)在的成本根據(jù)電價(jià)的不同大約是16到40塊錢/公斤。給大家介紹一個(gè)數(shù)據(jù)，用電解水制氫本身它的能效是很低的，正常情況下電解水的工藝，先不管電價(jià)，55度電產(chǎn)一公斤氫氣，然后這一公斤氫氣你燃燒之后讓它放熱制電，只能制18度電，電解水制氫真正的能效其實(shí)只有30%，55度對18度這樣一個(gè)比例。

因此我們集中在如何來解決光解水制氫核心的技術(shù)，就是催化劑這個(gè)材料。我們的團(tuán)隊(duì)也提出了這樣一個(gè)目標(biāo)，用最短路徑把太陽能轉(zhuǎn)換成電能，并可以同時(shí)高效光解水制氫。

首先要在新材料上有所突破。在這里給大家推薦一個(gè)研究發(fā)現(xiàn)，今年的3月8號，全球頂級的雜志Nature上發(fā)表了一篇中國西湖大學(xué)的論文，3月10號在國內(nèi)翻譯成中文之后進(jìn)行了轉(zhuǎn)載和述評。這篇西湖大學(xué)的論文介紹的一個(gè)情況，他們的研究團(tuán)隊(duì)采用激光束激發(fā)的方式，對很多種半導(dǎo)體材料以及金屬材料進(jìn)行了激發(fā)，去測試這些半導(dǎo)體材料的光電轉(zhuǎn)換性能，得出了截至目前他們所使用的所有半導(dǎo)體材料只有一種材料在激光激發(fā)之后表面出現(xiàn)了“光陰極”。不知道各位是否理解什么是“光陰極”。我們目前的導(dǎo)電材料之所以能導(dǎo)電，是因?yàn)榻饘俨牧侠锩嬗凶杂闪鲃?dòng)的電子，所以金屬材料我們更多的把里面的電子它的存在狀態(tài)描述為電子云的形式。這個(gè)光陰極和我們在導(dǎo)電金屬材料里面所描述的電子云基本上是一類現(xiàn)象，只不過這是半導(dǎo)體材料，而且是目前全球首次發(fā)現(xiàn)在半導(dǎo)體材料可以出現(xiàn)“光陰極”，也就證明這個(gè)材料具備非常好的激發(fā)電子的能力，就是用光來激發(fā)電子的能力。這個(gè)材料就是鈦酸鍶，在西湖大學(xué)的試驗(yàn)當(dāng)中用的是六面體材料。

今年4月份西湖大學(xué)的現(xiàn)任校長施一公院士，在廣東做西湖大學(xué)成立之后的宣傳推薦的一次大會(huì)上，介紹西湖大學(xué)成立以來重要的科研進(jìn)展，排在第一的就是這件事情。而且他明確的說這是西湖大學(xué)目前對科學(xué)界最重要的一項(xiàng)貢獻(xiàn)。我之所以把它用到這里，是想佐證一下，在十幾年前我們已經(jīng)預(yù)測到了這件事情，只不過他們是做物理的，我們是做化學(xué)的。所以我們在十幾年前就已經(jīng)開始在做這個(gè)工作。

鈦酸鍶現(xiàn)在市場上只有一種材料，是六面體材料，之前一直用在電子行業(yè)，壓電、介電，它的化學(xué)穩(wěn)定性也非常好。我們的研究從2012年5月份開始，首先對六面體材料的合成進(jìn)行了全方位研究，因?yàn)槲覀兪亲龌げ牧现苽涞摹Ｔ谡麄€(gè)研究過程中已經(jīng)完全可控的實(shí)現(xiàn)規(guī)則六面體的制備，我們材料的均勻性非常好，右邊是產(chǎn)品的顯微照片，規(guī)則性非常好。現(xiàn)在我們已經(jīng)拓展到了很多的多面體。2017到2019年，日本東京大學(xué)的一些教授就用這個(gè)六面體材料，對他的光電轉(zhuǎn)換性能進(jìn)行了研究和測試，當(dāng)時(shí)日本的研究結(jié)果是這樣的，在紫外光的區(qū)域，比如說350納米、360納米、365納米光的區(qū)域，光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)96%左右，非常之高。如果有一萬個(gè)光子，當(dāng)然是指的這個(gè)納米波段的光子，撞擊到六面體鈦酸鍶表面，就會(huì)有9570或者9600個(gè)光子轉(zhuǎn)化成電子，激發(fā)出來了的電子，這是日本在前幾年公布的研究結(jié)果。

而事實(shí)上，我們從化工材料合成的角度，更多的關(guān)注到另外一個(gè)問題，僅有紫外光是不能代表我們對太陽能的利用的。另外，材料本身其實(shí)是多種形態(tài)和多種結(jié)構(gòu)的，因此我們在隨后的研究當(dāng)中，陸續(xù)的制備出來了很多種不同材料。剛才的六面體材料六個(gè)面分別用晶體的定義來看叫100面，我們合成出來了包括110面的十八面體和包括111面的二十六面體的鈦酸鍶材料，而且我們還合成出來了這兩種多面體材料的中空結(jié)構(gòu)的材料，這樣就使得這個(gè)材料能夠更好激發(fā)光電轉(zhuǎn)換能力的晶面更多的暴露。比如說中空材料，由于中空，所以它的面甚至可以達(dá)到四十面以上，這樣的材料最終我們把它拓展成了現(xiàn)在的格局，從最早的六面體一直拓展到了各種鈦酸鍶的復(fù)合材料，這個(gè)過程中我們拓展了響應(yīng)的光域范圍，目前可以做到從200納米到800納米光的利用。光催化性能得到了大幅提升。

這是我們的研究和檢測結(jié)果，簡單給大家介紹一下。比如十八面體，我們做了各種檢測和試驗(yàn)測試，它的效率是非常高的。

還比如說，我們在光電轉(zhuǎn)化和光催化上面重點(diǎn)要利用的是二十六面體，二十六面體很重要的就能夠?qū)崿F(xiàn)我們說的光電轉(zhuǎn)換的高效率。對于中空的二十六面體材料來說，它的光電轉(zhuǎn)換能力就更強(qiáng)。為什么叫更強(qiáng)呢?我們的光激發(fā)到某一個(gè)晶面上的時(shí)候，它可以穿透，也可以反射，如果說激發(fā)出來了90%幾，事實(shí)上它穿透進(jìn)入晶體之后激發(fā)了里面的電子，反射就沒有起到太大的作用。但是如果是中空結(jié)構(gòu)的材料，光進(jìn)去之后會(huì)產(chǎn)生回旋，在納米尺度的材料空間，光在里面自己產(chǎn)生折射、反射、回旋，那么光的利用率就會(huì)大幅度提高，因此和我們常規(guī)的對光伏理解的概念完全不同。很多我們的學(xué)者包括企業(yè)家們經(jīng)常跟我們探討，你們光是穿透了多少，事實(shí)上我們根本就不是一個(gè)概念，我們讓光在里面，期望它永久的停留下來。待會(huì)會(huì)介紹我們現(xiàn)在成套的技術(shù)里面，未來的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)黑洞，就是我們的光反應(yīng)最終實(shí)現(xiàn)黑洞，這當(dāng)然是極高的研究目標(biāo)，也是一個(gè)極限的指標(biāo)。

最重要把光電轉(zhuǎn)換出現(xiàn)的電子把它遷移出去，讓它變成電流，或者是變成電解水制氫的電子，所以還要把它再引導(dǎo)出來，我們因此又制備了各類的光電轉(zhuǎn)換的復(fù)合材料，最后完成了這項(xiàng)工作。

繞到我們今天的主題，我們今天其實(shí)是在說氫，而我們這項(xiàng)技術(shù)其實(shí)是電和氫同時(shí)在做。至于說光解水制氫這個(gè)問題，最早是1967年日本的藤島昭教授發(fā)現(xiàn)了這個(gè)現(xiàn)象，之后很多的催化劑用于光解水技術(shù)，只不過一直沒有很重要的突破。

我們獲得的突破是什么呢?首先是關(guān)鍵材料的突破。從六面體一直拓展到二十六面體以及其中空材料。我們這些面究竟有什么差別呢?可以看下面的圖，有四個(gè)柱，第一個(gè)黑色的柱上面寫的11.1%，是我們采購市場上正在銷售的六面體鈦酸鍶的商用產(chǎn)品進(jìn)行測試，它的光電轉(zhuǎn)換效率只有11%。我們的實(shí)驗(yàn)室非常精準(zhǔn)調(diào)控的六面體材料它的光電轉(zhuǎn)換效率理論值是13.7%，是同一個(gè)數(shù)量級，因此很少有人認(rèn)為鈦酸鍶可以用于光伏，就是因?yàn)樗挥邪俜种畮祝投嗑Ч?9.4%還差的老遠(yuǎn)，所以沒有人認(rèn)為。

第三個(gè)柱，二十六面體也好還是十八面體也好我們出現(xiàn)了一個(gè)110晶面，這個(gè)晶面的光電轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到36.8%，這個(gè)數(shù)據(jù)就很可觀了。

圖片上特定標(biāo)了一個(gè)111，111晶面的光電轉(zhuǎn)換效率可以高達(dá)46.9%，正是因?yàn)檫@樣的數(shù)據(jù)采使得這個(gè)材料的光電轉(zhuǎn)換能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了現(xiàn)在所有的催化材料。西湖大學(xué)用激光去激發(fā)的這個(gè)半導(dǎo)體材料是最左端的六面體鈦酸鍶，他們的論文出了之后我還特地去了西湖大學(xué)找到這個(gè)團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人何瑞華教授，了解清楚了他的確是用的這個(gè)東西，因?yàn)樗麖膩硪膊恢肋€有我們一研發(fā)出來的多面體材料。

就用這樣的材料，我們來做幾個(gè)對比。假設(shè)按照垂直方向，法相太陽光照射到地球之后，我們把它照射到地面的能量看成百分之百，我們所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)做了幾件事情，第一步是進(jìn)行反射，把太陽光反射進(jìn)來，反射用反光鏡，類似我們常規(guī)的鏡子，因?yàn)樗鼉r(jià)格也很便宜，我們經(jīng)過兩次反射，一次反射效率大約97、98%，兩次反射效率乘下來大約92%左右，我們折算了一下取了個(gè)低值，91%。然后再進(jìn)入我們的光反應(yīng)器，我們的光反應(yīng)器的吸收率我們目前把它設(shè)定在60%，我們未來的目標(biāo)是黑洞，也就是這個(gè)60%未來的目標(biāo)逼近100%，是指的60%那個(gè)地方的柱逼近100%。

第三個(gè)，進(jìn)到光反應(yīng)器之后，光電轉(zhuǎn)換效率目前我們按照90%來測算，不是大家理解的光電轉(zhuǎn)換，因?yàn)槲覀円阉诶锩娣磸?fù)的進(jìn)行回旋，所以要達(dá)到90%的光電轉(zhuǎn)換效率，這樣測算下來光電轉(zhuǎn)換率就49%，最后在輸出端還有一個(gè)工效問題，按92%來測算，最終按照現(xiàn)在設(shè)定的指標(biāo)，光電效率45%。

我們整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)從理念上有一些獨(dú)特性，比如材料、比如我們采取了高倍聚光這樣的一些技術(shù)，使我們最終的效率大幅度提高。第三是在研發(fā)技術(shù)上有一些突出的優(yōu)勢，現(xiàn)在我們整個(gè)系統(tǒng)在多面體鈦酸鍶進(jìn)行高倍聚光，實(shí)現(xiàn)聚光下的光伏發(fā)電，以及同時(shí)實(shí)現(xiàn)光解水制氫這樣的一體化成套技術(shù)。

這些工作我們在中國科學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室里面幾年前就已經(jīng)陸續(xù)完成。我們通常認(rèn)為太陽光照到地面上就是太陽光，事實(shí)上當(dāng)你把太陽光的倍數(shù)進(jìn)行增強(qiáng)之后，會(huì)有意向不到的奇跡出現(xiàn)。我們正在建的示范線目標(biāo)是2000倍的聚光。右邊這個(gè)圖就是我們現(xiàn)在正在建的示范線的模擬圖，左邊的圖就是我們在實(shí)驗(yàn)室通過20倍的聚光，在產(chǎn)氫的過程中。當(dāng)時(shí)參觀者很奇怪，說里面是不是已經(jīng)出現(xiàn)高溫，因?yàn)樗锩鏆馀菹耖_鍋了一樣，把手伸上去的時(shí)候發(fā)現(xiàn)溫度只有三四十度，事實(shí)上它是在光解水制氫。

這些技術(shù)優(yōu)勢給大家介紹完了以后，最后再簡單說一下。我們這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)持續(xù)十多年了，現(xiàn)在有大批的專利在做保護(hù)，而且我們已經(jīng)把中國科學(xué)院相關(guān)的八個(gè)專利打包，由一家公司統(tǒng)一購買，接下來要做知識產(chǎn)權(quán)的運(yùn)營，他們第一筆融資兩千萬元已經(jīng)完成，知識產(chǎn)權(quán)的采購，第二筆融資一千五百萬元現(xiàn)在正在建第一條線，接下來很重要的是我們把我們這個(gè)材料要在各個(gè)行業(yè)進(jìn)行推廣。比如十八面體的我們就跟北京的一個(gè)上市公司，讓它獨(dú)家買斷十八面體的使用，跟它成立了聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室。我們現(xiàn)在說的二十六面體就是用于光伏聚光發(fā)電和光解水制氫。在這個(gè)基礎(chǔ)上我們已經(jīng)有各種設(shè)計(jì)方案，比如最小型的1兆瓦的用于野外移動(dòng)橇裝式的應(yīng)用場景，固定式的以10兆瓦、50兆瓦等等這樣的模塊化的生產(chǎn)裝備來進(jìn)行生產(chǎn)。我們現(xiàn)在研發(fā)的事實(shí)上是成套裝備，未來不管落在哪個(gè)地方，現(xiàn)在我們在國內(nèi)想選五個(gè)左右的城市做產(chǎn)業(yè)基地，是裝備制造基地，未來每個(gè)基地目前設(shè)計(jì)能力按照2GW裝備制造能力來設(shè)計(jì)。

我們的研究團(tuán)隊(duì)都是中國科學(xué)院的研究人員，之所以這樣做，是因?yàn)槲覀儾⒉蝗プ鲅b備制造線的管理和生產(chǎn)，我們只做知識產(chǎn)權(quán)運(yùn)營。我們要把擅長做裝備、做銷售、做市場拓展的公司成為我們的合作伙伴，這些公司跟我們合作，我們通過知識產(chǎn)權(quán)運(yùn)營完成我們這個(gè)技術(shù)在全國以及國際上的推廣。

最后，這些年經(jīng)常會(huì)用到一個(gè)詞叫“卡脖子”，因?yàn)橹袊茖W(xué)院有這樣一個(gè)使命和責(zé)任，我們其實(shí)更多的希望不卡脖子，同時(shí)能夠輸出中國的高精技術(shù)。我們現(xiàn)在這項(xiàng)技術(shù)就屬于這樣一個(gè)高精技術(shù)，從材料制備、技術(shù)路線以及成套裝備的研制，完全自主知識產(chǎn)權(quán)，而且完全是我們中國人自己的專利。事實(shí)上國內(nèi)的光伏統(tǒng)統(tǒng)是學(xué)的國外的技術(shù)，未來我們希望能夠讓我們中國在光伏領(lǐng)域的技術(shù)從原來的模仿、跟蹤到自主創(chuàng)新和引領(lǐng)，能夠推動(dòng)我們中國的技術(shù)的發(fā)展。

我們的技術(shù)全稱叫全光域響應(yīng)多面體鈦酸鍶光伏發(fā)電光解水制氫一體化的技術(shù)，感謝各位。