图为中国科学院院士孙世刚作主旨发言

8月25日，“2023氢能与燃料电池技术及应用国际峰会”在中国上海召开，中国科学院院士孙世刚出席开幕式并做主旨发言

以下是发言内容文字记录，未经嘉宾审阅：

孙世刚：感谢秘书长的介绍，很高兴受大会组委会的邀请参加这个论坛，我想说我是第一次参加中国电池工业协会的会议，虽然我做电池做了好多年。

刚才刘理事长和彭院士把一些大的背景讲了，我就讲讲里面的一些跟电化学相关的一些核心技术，怎么来创新发展。我想这个跟燃料电池，跟我们的主题要持续创新发展非常关键。

我就讲下面几个方面，首先我们知道氢能很重要，一个是助力碳中和，一个是调节能源结构，构建氢能社会。刚才两位领导都讲了很多，氢能全产业链其实很长，从制氢到高密度的储运氢到应用，用氢其实一个方面在工业里面用的很多，其实我们刚才谈到每年是2000多万吨氢气的产量，但是大部分是用在工业。

我们在燃料电池里面，应用交通还是很少的一部分，但是它是未来发展的一个重要的方向。我们国家氢能的需求，刚才彭院士讲了这个后面会越来越快，这里面的关键技术跟电化学相关的其实有两个方面。

在电化学里面来看，一个是能量转化，我们把化学能直接转成电能，比如说我们在燃料电池做一个化学发电机，我们氢是当中的一种燃料，还有其它燃料，直接转成电能，这也是人类历史中第四种发电方式。

第二种是电化学能量储存，这个储存就是把电能存储到分子的化学界里面，我们的电解水变成绿氢当中的一种，还可以把二氧化碳还原成燃料，把氮加氢变成氨。

通过电解水来制绿氢，通过燃料电池用氢，这是构成了氢能的核心技术，这是电化学的核心技术。它的优势就是通过化学能转换成电能，是直接转换，不受热力学卡诺循环的限制，转换效率高、排放少、可靠灵活。

这里面存在一些挑战。首先制氢，从制氢来看，我们说从目前来看大部分还是我们的化石能源制氢，成本还是比较低，我们国家2000多万吨的产能，但是我们的电解水制氢只占4%左右，很大一个限制就是成本高，我们制氢的装置，我们电的成本高这是一个大的限制。

从电解水制氢里面还有好几个方中，比如说碱性是传统的，酸性制氢，包括PEM制氢，还有复工复产氯碱工业，还有很多工业光助制氢，比如说高温电解制氢，比如刚才讲的高温燃料电池的电解器。

在各种制氢里面大家看到，其实目前来看低温制氢和酸性电解质制氢能量效率是最高的，而且温度也是相对比较低的，这样的话有很好的优势。但是也带来一些挑战，比如说优势，比如说不需要电解质等等，有一些挑战在里面，最关键的还是他的金属和催化剂。我们用酸性制氢和电解质制氢是用贵金属催化剂，带来一个资源的限制。

但是现在发展是碱***换膜制氢，就不需要贵金属，但是这个膜还没有解决，还是一个发展的方向。

但是在这里面我们讲到能耗的问题，能耗从热力学的角度来看，我们电解制氢理论的电压是1.23伏，是一个热力学平衡电位，没有电流产生、没有氢产生的时候1.23伏，一旦我们有氢气产生，我们这个槽压就会大于1.23伏，随着制氢的速度越快，槽位越大，这样势必消耗很多电能在制氢当中，因为除了氢气阴极产生，氧气还得产生氧，所以这里边存在氧气和氢气还得分离，否则不安全，所以其实带来对它的制约。

我们怎么把能耗降下来，能获降下来的目的就是我们把能量降下来，把成本降下来，能耗降下来电的成本就降下来，就用更少的电产生更多的氢能。

一种方式就是跟小分子氧化的偶联，我们在阴极产氢，阳极用一些小分子氧化，比如说通过乙酸根氧化到乙烯、氧化到苯醌、甘油醛等等这些方式耦合。但是耦合的话，槽压会降低，但是降低的还是有限，而且我们希望在阳极还可以分离变成一些高附加值的东西，给分解带来难点，因为电解器里面的设计，因为一般从氧化物里面要用有机电解质。氢是水电解质这个还有一些装置的空档，一种新的方式就是我们刚发表的文章，我们提出一个专利，其实我们可以用一种牺牲阳极的方式偶联电化学制氢。

对于一些阳极本身可以在很多地方产生氢气，我们就可以通过新阳极耦合使得我们的槽压降得很低，比如说我们用铁做一个牺牲阳极的话，在他的槽压，如果在0.6伏达到350毫安每平方厘米的话，工业极的电流的时候，只要0.6伏的槽压。通常我们是2伏或者更高的电压，所以这个电压降0.1伏就带来一个很大的能量节省。

如果电压在中心的话，只要0.15伏就到上面的槽位，所以这是一个很大节能的方式。还有一个好处就是说，由于我们在这个过程当中，它的阴极是产氢，阳极也产氢，所以这个电解槽里面只产氢气，不光是把电能的损耗降下来，而且不带来阳极氧气分离过程，所以这是全新的分子模式。

同时我们在耦合一些有更高价值的产物，比如说我们用铁，这个过程当中我们会产生磷酸铁锂的前驱体，我们同时产氢还可以新能源的正极材料。这个过程我想是一个全新的方式，但是在工业化还要做装置的设计，还有很多一些从实验室到工业还有一个过程。

另一个就是氢气储存技术，需要远距离输入氢气，比如说通过压缩空气固态储氢、液体储氢。比如说通常我们在汽车里面用的，目前用的700大气压的氢气罐储氢。比如说丰田这个车用了三个罐储了差不多5.6公斤可以跑850公里，液态除氢可以通过一些把氢气加到分子里面，比如说我们把氢气加到甲苯里面，加三个轻分子变成环己烷变成液态，我们运输到其他地方去就方便了，可以再把它释放出来，跟甲苯做一个载体，可以做大规模的储氢运输就更方便了。

一些新的技术，比如说我们基于吸附方式来储氢的话，比如说化学物理吸附通常是泛载的话吸附，建能差不多1-10的kj/mol，这样一个能量比较容易释放，也可以在低温下进行结晶，所以一般来说也是比较低的，但是储氢的密度是比较低的，密度是化学吸附。化学吸附能可以大约100个kj/mol，所以这样的话它有很高储氢的目的，但是要把它释放出来，我们同样跟他的能量，这样带来说虽然说除氢密度大，但是还要消耗能量。

第三种方式就是现在正在研发的Kubas储氢，Kubas它的吸附能力介于化学能和物理能之间，大概20-60个kj/mol，但是它有很高的储氢的密度，而且很容易释放。

比如说用这种氢化物，可以到10.5各重量密度的储氢密度，也就是可以到197千克的每平方厘米氢气的储氢密度，而他只要120个大气压25度就可以很容易释放出来，远高于目前一些比如美国能源部的要求。但是这些新的技术还在实验室研发，还没有到应用的阶段，还需要共同往前面推进。

第三个讲燃料电池，燃料电池我们说刚才裴院士讲的，这是目前重要应用的方向。燃料电池其实在很多方面的应用，比如说载人航天，包括生物医疗、边缘地区等等，很重要的就是电动交通，除了我们的汽车以外，舰船、飞机都是在一些示范，比如说德国初创的公司，去年已经商业化运行4座燃料电池飞机。

对于燃料电池我们讲，车用燃料电池最大的挑战就是，因为它对于催化剂的要求是在要高的活性，同时要高的稳定性，我们是要长的寿命，但是他们的工作环境还是在一些强酸强碱里面，一定的温度，对催化剂的要求很高，目前大家用的氢能燃料电池还是用铂基金属，最大的限制就是资源是非常稀少的。铂基金属90%在南非，百分之七点多在俄罗斯，加拿大、美国大概有2-3%左右，我们国家只有0.3%，所以储量是非常大的限制。

由于储量稀少，价格也是比较高的，最大的挑战目前来说还是催化剂，刚才包括李司长也讲了很多方面，甚至包括磅这些都是的。但是从最根本来看，催化剂还是最根本的挑战，膜和催化剂。这里面包含两个方面，比如说现在研发的前沿有两个方面，我们目前还不可能不用铂，我们怎么把它的铂基催化剂的性能提上升，把铂的利用率提高，实际上就需要提升它的效率、催化活性。

第二个方面就是从我们能不能开发一些非贵金属催化剂，比如说用铁、镍资源比较多的金属，甚至不用金属用碳，这些都是在研发的前沿。我分别做一点介绍，一个途径就是减少滤金，从上个世纪60年代载人航天的时候当时用了每平方厘米大概几十个毫克的铂，大家想每平方厘米几十毫克，毫克是很少的，但是可以用到多少平方米的电极，实际上载人就高了。所以这些年通过降低滤金的方式一直在降低它的用量载量，到现在大概零点几个毫克，但是零点几个毫克还是很大的。

我们希望说我们现在每一个汽车，我们的燃油车都有一个催化剂，催化剂里面都有用到贵金属作为催化材料，每个车用多少呢？大概用到6-8克，现在最先进的比如说风电车的燃料电池车也用到40克，还有好几倍的空间减少。如果我们能够降到跟我们的汽车尾气相当的话，我们铂的资源就不是问题了，我们可以完全用铂出来就可以，但是实际上我们还做不到。所以我们怎么样提升燃料电池催化剂效率的话，除了降低尺寸的时候，其实我们另外也想着我们保持几个纳米，比如说买的催化剂都是3-5个纳米，怎么通过表面结构的调控实现性能的提升。

这里面就涉及到很基础，就比如说我们知道说构效规律，就是结构和性能是一个什么样的关系。举一个例子，比如说我们可以通过单金作为一个模型催化剂来看，不同的金面是有不同的结构不同的结构对同类的反映就不同的活性，基本的规律就是，比如说高直径的有更高的活性，我们仔细看就形成了一些催化活性中心。

这样一个演进告诉通过模型催化剂我们得到的是一些基础的认识，活性中心是几个原子组成的，有立体结构的叫活性中心。从基础的角度来看，实际上催化剂表面结构非常复杂，我们能不能把这种概念、知识转移到实际催化剂上去，我们控制催化剂的表面结构，让表面结构就是我们所希望的催化活性中心的注册，如果达到这一点活性性能还可以大幅度的提升。

怎么做这个事情呢？我们就想到说控制催化剂的表面结构，我们得到的高活性中心的表面结构，我们成为高速基面的催化剂，就可以很好的活性和稳定性。

这个工作其实我们从2007年发表后一直在推进，比如说有不同的金属有不同催化对象，我们有不同的反应，甚至改变表面的电子结构等等。这样的工作，我们在国际上也是一定的前沿，我们这些年不断有新的进展在发表，而且把它用到很多的领域，比如说电催化领域、光催化领域、热催化领域都得到了很好的应用。

我们也通过电化学方法可以控制表面的结构，通过不同的形状的改变得到不同的结构，从而得到不同的活性，针对各种反应。

在燃料电池应用上看，一个是我们把它作为阴极的催化剂，它跟酸性催化剂有更好的稳定性。另一个我们也可以把它做成阳极，把它首先在碳质上合成高速镜面结构的催化剂，把它做成膜电极，然后再去做燃料电池，阴极还是用的铂碳催化剂商业化的，但是阳极的话可以看到载量只有差不多0.069毫克每平方厘米，但是我们同样做燃油电池输入功率比1mg还高了很多，而且相当于汽车尾气催化剂的载量。

我们也做了一些规模化制备的技术，这些技术主要是申请专利，包括中国专利、日本专利、美国专利、欧盟专利等等。

最后一个谈一下非贵金属催化剂，为什么大家非贵金属催化剂这么引起重视呢？因为在目前的燃料电池里面，阳极氢氧化动力学很快，我们不需要太多铂去催化它，但是阴极的氧活动力学是很慢的，所以我们需要更多的铂催化这样的反应。也就是说90%的铂用到阴极催化剂里面，如果我们用非贵金属催化剂取代阴极的铂催化剂，我们把铂的成本大幅度的降低下来。

大家想到比如说在60年代的时候就发现说一些金属大环化合物、金属氧化物，他们都有对氧还原的性能，但是这些都在液项里面，催化剂其实是固态需要在表面上，我们怎么把它做成表面上，后来通过热解的方式到现在性能一直在提升，目前最好的还是金属氮、碳这三种复合材料的催化剂。

目前存在几个挑战就包括活性，活性还是不够，活性还需要进一步提升。目前我们有同样的质量催化剂，它的活性只有铂碳的二十分之一，活性还达不到我们的需求。

第三个起来就是稳定性，因为稳定性很重要，因为这种非贵金属催化剂稳定性一直是一个挑战，也说我们一般运行大概在100个小时以后就会降低50%，所以稳定性有很多种原因，不光是催化活性中心的稳定性，还包括传输、碳的腐蚀等等，这里面就涉及到很多科学和工程技术问题。

第三个方面就是对他的衰减的机理，因为我们只有把它的机理认清楚了，我们才能采取措施来防止他，或者提升它的稳定性。这里面有很多种结论、争论还没有完全定论，这里面还是一个正在研究、深入研发的过程。

从我们团队来看，我们首先是通过来设计高效的非贵金属催化剂，通过来符合活性位点，通过调控应力调控，通过配体调控提升活性中心催化性能。

另一方面其实跟界面的传输、反应过程，包括质量过程，在燃料电池里面相当于化工厂，除了三床反应外，还有我们的电荷的传输通道，所以要兼顾各种传输通道的有效的匹配，而且界面要怎么来更稳定更好的，这个是需要做的。

通过这样一些研究以后，还调控传输通道、强化传输过程，也就是说通过一些构筑稳定商业反应界面，通过提高输水的气体通道等等，进一步提高性能。

通过这样一些发展以后，我们团队其实在非贵金属把它燃料电池以后，我们是不断地在刷新国际的记录，大家都在不断提升输出功率密度，用于非贵金属设计，我们到了19.1瓦每平方厘米。

讲到这个想做一个简单的结论，氢能电化学技术包括了电解水制绿氢，设计和开发更高活性、更高稳定性的催化剂，是推动其快速发展关键。其中非贵金属催化剂是重要的研究前沿。另一方面我们在燃料电池氢能里面，我们不光是要注重工业的发展，我们要释放氢能港等等，我们其实还要更加关注原创性的研究，要探索一些新原理，发现新机制、构建新体系，只有这样我们才能够不断推进我们氢能持续发展。

最后我想说，非常感谢我们这个团队参与的老师和同学，还有我们一些基金的支持，最后感谢大家的聆听，谢谢。