中國儲能網(wǎng)訊：當(dāng)前，我國化石能源制氫、堿性電解水制氫技術(shù)及裝備處于領(lǐng)跑水平，質(zhì)子交換膜（PEM）電解槽和固體氧化物電解槽（SOEC）技術(shù)及裝備水平處于跟跑階段。其中可再生能源電解制氫仍然是兩步法，都需要通過電解水制氫。兩步法使得設(shè)備投入和運(yùn)營成本大大增高，目前在理想的情況下每噸氫氣的成本也在18550-26970元左右，是制約氫能技術(shù)推廣的主要瓶頸之一。
等離激元光合制氫，利用太陽光能或工業(yè)廢熱，一步將水分解轉(zhuǎn)化為氫氣，大大降低了制氫成本，是真正的“綠氫”技術(shù)。這一完全自主知識產(chǎn)權(quán)的科技成果，具有顛覆性、前沿性、實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)可靠性等優(yōu)勢。該技術(shù)對我國有著更加重要的現(xiàn)實(shí)意義，有利于解決我國的能源安全和環(huán)境安全問題，對我國的碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有戰(zhàn)略支撐意義，使中華民族可持續(xù)發(fā)展有了“底氣”。
一、等離激元效應(yīng)
隨著材料技術(shù)和測量手段的進(jìn)步，人類對科學(xué)技術(shù)的探索正從宏觀世界邁入微觀世界，眾多微觀效應(yīng)逐漸被發(fā)現(xiàn)和開發(fā)。等離激元效應(yīng)（納米場聚焦和所激發(fā)的熱電子）是科學(xué)探索深入納米微觀世界發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象，是物理學(xué)、化學(xué)、光學(xué)、材料學(xué)等研究最前沿領(lǐng)域，屬于學(xué)科交叉融合形成的新科技。
等離激元效應(yīng)理論和應(yīng)用研究是科技進(jìn)入微觀時(shí)代最前沿的方向之一，最早開始于2004年，得益于計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，使等離激元的理論模擬基本完成。例如美國西北大學(xué)Enical教授的論文1，如下圖：
圖1：等離激元光聚焦模擬
等離激元效應(yīng)的特征是納米場聚焦和所激發(fā)的熱電子。當(dāng)光（或熱輻射）照在納米結(jié)構(gòu)上，如果納米結(jié)構(gòu)的尺度小于光源的波長，光熱輻射將自發(fā)聚焦在納米結(jié)構(gòu)尖端，類似于尖端放電，如圖1中深紅的區(qū)域所示。局部場強(qiáng)可以達(dá)到入射光場強(qiáng)的數(shù)百倍，如圖中尺標(biāo)，可達(dá)到300—600倍。這種場聚焦增強(qiáng)效應(yīng)會(huì)激發(fā)納米材質(zhì)的自由電子變?yōu)闊犭娮樱患ぐl(fā)的表面增強(qiáng)場和熱電子稱為等離激元。2006年，美國學(xué)術(shù)界成立專門的學(xué)術(shù)期刊《等離激元》。2006年美國普渡大學(xué)投資1億美元建設(shè)了面積2萬平方米的布雷克納米中心，集中研發(fā)等離激元技術(shù)和相關(guān)納米光子學(xué)。2010年，華盛頓大學(xué)的團(tuán)隊(duì)發(fā)布論文2，用改進(jìn)的原子力顯微鏡實(shí)際觀測到了等離激元效應(yīng)，即納米級的光場自聚焦增強(qiáng)。如下圖：
圖2：等離激元光聚焦效應(yīng)顯微鏡照片
圖中綠色虛線是金屬的納米結(jié)構(gòu)（三角形、片狀），亮斑的地方就是光照在納米結(jié)構(gòu)上自聚焦的地方。其最亮處光場強(qiáng)被增強(qiáng)了100倍。該論文首次驗(yàn)證并確認(rèn)了等離激元的光聚集效應(yīng)，其后也有同類研究，反復(fù)驗(yàn)證了該現(xiàn)象。
等離激元效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)后，世界各國的科學(xué)家們在數(shù)個(gè)不同領(lǐng)域展開了技術(shù)應(yīng)用突破。2008年美國普渡大學(xué)報(bào)道了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用等離激元信號增強(qiáng)10的10次方倍生物信號探測器，應(yīng)用領(lǐng)域包括DNA辨別、癌癥篩查。2010至2018年間，IBM研發(fā)中心和華盛頓大學(xué)4先后報(bào)道了等離激元技術(shù)和芯片結(jié)合，運(yùn)算速度達(dá)到25—100GHz的光電芯片，如下圖：
圖3：等離激元應(yīng)用－光電混合芯片100 Ghz處理速度
此外，等離激元技術(shù)在軍事可見光隱形材料、高密度信息存儲、信息傳輸?shù)阮I(lǐng)域均有諸多研究和報(bào)道。
綜上可以看出，世界科學(xué)界對于等離激元技術(shù)以及應(yīng)用展開了系列的相關(guān)研究，并取得了一定創(chuàng)新成果。該技術(shù)使氫能逐漸取代化石能源更廉價(jià)、更環(huán)保，對中國乃至全世界的氫能發(fā)展帶來巨大影響。
二、“等離激元光合制氫技術(shù)優(yōu)勢明顯
“等離激元光合制氫”技術(shù)原理不同于現(xiàn)在的兩步法電解水制氫技術(shù)。該技術(shù)原理是基于納米級等離激元增強(qiáng)作用，利用金屬化合物納米催化劑的等離激元局域能量增強(qiáng)效應(yīng)，模擬自然界光合作用，以太陽光或工業(yè)廢熱為主要能量，其反應(yīng)推動(dòng)不需要消耗電能，只經(jīng)過金屬納米催化劑的催化反應(yīng)即可激活水的化學(xué)鍵，一步分解水并生成氫氣，一步實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化和利用。其他的副產(chǎn)物包括氧氣等含氧離子。利用等離激元技術(shù)的物理化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)條件溫和，使得制氫成本極大降低。這一技術(shù)完全不同于目前電解制氫技術(shù)，技術(shù)優(yōu)勢明顯，具有顛覆性和革命性，為氫能發(fā)展開創(chuàng)了一條新技術(shù)路徑，為人類從根本上擺脫能源環(huán)境困境帶來了希望和可能。
其過程中不需要傳統(tǒng)電能作為能量來源，也不需要高溫高壓，因此商業(yè)附加值和經(jīng)濟(jì)增效極大。等離激元綠色制氫的技術(shù)路徑是一個(gè)納米尺度的微觀反應(yīng)過程，在催化金屬化合物納米結(jié)構(gòu)的尖端，光熱輻射聚焦會(huì)激發(fā)熱電子和局域強(qiáng)能量場，即等離激元效應(yīng)，局域高能量會(huì)激活水分子中的化學(xué)鍵，達(dá)到水的分解；分解的氫元素和氧元素聚集在催化劑表面，由于催化劑的特性，氫元素結(jié)合成為氫氣分子。2018年15中科院物理所也通過實(shí)驗(yàn)從原子角度解釋了等離激元光催化制氫的機(jī)理。
該技術(shù)的主要優(yōu)勢包括：
1.一步能量轉(zhuǎn)化：該技術(shù)催化反應(yīng)為一步反應(yīng)，不需依靠電能，太陽能（廢熱）直接可生產(chǎn)氫氣，并實(shí)現(xiàn)光（熱）能的穩(wěn)定儲存，大大降低制氫成本。
2.高效永久生產(chǎn)：該技術(shù)可在半至一小時(shí)內(nèi)生成氫氣，能量轉(zhuǎn)換效率約為10%，產(chǎn)氫速率為100μmol.g-1.h-1，催化劑壽命約為20年以上。
3.反應(yīng)條件溫和：該技術(shù)無需酸或堿作為電解液，反應(yīng)溫度低于150℃，壓力小于0.4MPa，在光照或熱的情況下即可完成綠氫的生產(chǎn)。
4.原料供給無限：該技術(shù)只需要陽光或工業(yè)廢熱，原材料采用硬水或任何非飲用水，通過一步溫和條件反應(yīng)，利用等離激元催化，把這些價(jià)值低廉、接近無限的原料轉(zhuǎn)化為氫氣。
5.成本低無排放：該技術(shù)利用太陽能或工業(yè)廢熱，可直接獲取，反應(yīng)過程條件不高，無二次能源消耗（例如：電），遠(yuǎn)低于電解制氫成本，無其他污染物產(chǎn)生，綜合碳排放為零。
6.易于規(guī)模復(fù)制：一步反應(yīng)過程和穩(wěn)定的無機(jī)催化過程，令該技術(shù)極易于模塊化和大規(guī)模生產(chǎn)，適宜在世界很多區(qū)域推廣。
該技術(shù)與其他制氫技術(shù)指標(biāo)比較見表1。
表1：各種制氫技術(shù)的技術(shù)指標(biāo)比較
三、“等離激元光合制氫”經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯
全產(chǎn)業(yè)鏈成本高是制約商業(yè)化發(fā)展和滿足市場需求的主要因素。氫能產(chǎn)業(yè)鏈的制取環(huán)節(jié)成本高是氫能經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要瓶頸，制氫技術(shù)突破是基礎(chǔ)，對氫能全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展具有決定和帶動(dòng)作用。只有實(shí)現(xiàn)了氫氣的低成本制造，氫能產(chǎn)業(yè)鏈條才能更好推廣，氫能作為零碳能源才能在中國乃至全球的新能源體系中脫穎而出。
表2：主要制氫方式的成本比較
資料來源：劉堅(jiān)，鐘財(cái)富， 我國氫能發(fā)展現(xiàn)狀與前景展望，中國能源，2019
根據(jù)國際能源署IEA的統(tǒng)計(jì)，2018年未配備CCUS(碳捕獲）的天然氣制氫成本約為0.9-2.1美元/kgH2（2018年1美元平均約合6.6元人民幣，以下略），配備CCUS的成本約為1.5-2.9美元/kgH2，使用煤炭作為原料制氫的成本范圍在1.2-2.1美元/kgH2之間，而使用可再生能源電力制氫的成本最高，且其跨度大，因不同地區(qū)可再生能源發(fā)電成本而異，約在3-7.5美元/kgH2范圍內(nèi)。
表3：國際能源署IEA統(tǒng)計(jì)的制氫方式成本比較
通過上述表格和文字統(tǒng)計(jì)，目前國內(nèi)外制氫技術(shù)都存在高能耗、高成本的弊端。國內(nèi)制氫技術(shù)中，煤制氫成本相對較低，約10元/公斤。但煤制氫和煤發(fā)電一樣都有相同的二氧化碳和污染物排放問題。可再生能源電解水制氫無二氧化碳和污染物排放，但成本較高，即使可再生能源電價(jià)降到0.3元/度，制氫成本也在30元/公斤左右（包括電費(fèi)、設(shè)備及運(yùn)行成本），是煤制氫的2-3倍，可再生能源制氫目前還不能支撐氫能大規(guī)模發(fā)展。
等離激元光合制氫技術(shù)為氫能領(lǐng)域開創(chuàng)了一個(gè)全新業(yè)態(tài)，該技術(shù)產(chǎn)業(yè)可以無限規(guī)模復(fù)制，光路徑可在光照充足的荒地區(qū)域無限擴(kuò)大，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制氫。熱路徑可利用工業(yè)廢熱提供能量，依托火電廠、鋼鐵廠、化工廠、冶煉廠等的廢熱實(shí)現(xiàn)分布式制氫。等離激元制氫的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯。主要體現(xiàn)在以下指標(biāo)：
一是催化劑的指標(biāo)。等離激元制氫技術(shù)反應(yīng)核心催化劑的主要活性組分是金屬和無機(jī)氧化物，活性金屬含量不超過整體催化劑3%且不含貴金屬和稀有金屬，無機(jī)氧化物為有效金屬提供框架結(jié)構(gòu)。目前催化劑僅需通過一步反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，產(chǎn)生的氫氣只需將反應(yīng)物殘留的水蒸氣和副產(chǎn)物氧氣分離，沒有其他雜質(zhì)，可直接作為能源使用。
催化劑有效金屬達(dá)到單一原子層，即0.3納米的厚度，壽命可達(dá)20年。該原子層催化技術(shù)極大提高了技術(shù)保護(hù)壁壘，為保持這一優(yōu)勢，需持續(xù)研究提升等離激元納米材料加工技術(shù)，建立一套簡單有效、可規(guī)?；a(chǎn)的納米層級結(jié)構(gòu)加工工藝，逐步實(shí)現(xiàn)從日產(chǎn)公斤級到噸級產(chǎn)量的工業(yè)化能力。
二是反應(yīng)條件指標(biāo)。等離激元制氫技術(shù)可在小于0.4MPa的壓力下，低于150攝氏度的溫度下，即較為溫和的條件下反應(yīng)生成氫氣。使用水作為反應(yīng)物，能量轉(zhuǎn)化效率約為10%，產(chǎn)氫速率約為100μmol.g-1.h-1。
三是工業(yè)化成本指標(biāo)。目前等離激元制氫工業(yè)反應(yīng)裝置的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為不銹鋼列管反應(yīng)器。以光路徑為例，每平方米反應(yīng)裝置按20根50mm管徑不銹鋼列管進(jìn)行布設(shè)，總共20米，按20元/米計(jì)算，總計(jì)400元，1 m2有機(jī)玻璃透光頂蓋約50元，2 m2保溫箱體約100元，即每平方米反應(yīng)裝置成本造價(jià)約500元。按每10平米一套鏈接系統(tǒng)，成本200元，折合每平方米20元。按每100平米為一個(gè)基礎(chǔ)控制單元，工業(yè)反應(yīng)自控裝置造價(jià)約3000元，折合每平方米30元，即鏈接控制單元折合每平方米共約50元。按照目標(biāo)產(chǎn)能對應(yīng)的光照總面積，500Nm3/h產(chǎn)能的工業(yè)反應(yīng)裝置總成本造價(jià)為550元/平米×17485平米，總計(jì)約960萬元。目前催化劑的產(chǎn)氫率為1噸催化劑每小時(shí)可制氫氣約0.28kg，按照所需的500Nm3/h生產(chǎn)規(guī)模，即44.6kg/h，因此需要催化劑總量約為160噸。根據(jù)原料價(jià)格估算，催化劑原料總成本約192.5萬元人民幣，目前納米催化劑的制備工藝成本約為原料價(jià)格的1倍，因此一次性納米金屬化合物成本約為385萬元人民幣，催化劑壽命約為20年。隨工業(yè)規(guī)?；?，納米制備工藝成本可進(jìn)一步降低。
表4.工業(yè)反應(yīng)裝置成本造價(jià)
表5. 500Nm3/h產(chǎn)能等離激元綠色制氫工業(yè)單元總成本
四、“等離激元光合制氫”產(chǎn)業(yè)前景廣闊
當(dāng)前，等離激元光合制氫技術(shù)已經(jīng)成為該領(lǐng)域世界科技界最前沿方向，具備了進(jìn)入大規(guī)模工業(yè)化階段的條件。
目前，電解水制氫目前雖然技術(shù)逐步成熟，主要有堿性電解槽制氫（AE）、聚合物薄膜電解槽制氫（PEM）、固體氧化物電解槽制氫（SOE）三種技術(shù)路線。其中，技術(shù)最成熟的是AE，而PEM效率更高，但成本也更高。因此電解水因其高昂的用電成本使投資回收期較長，不利于大規(guī)模普及。
以光伏發(fā)電電解制氫為例。該技術(shù)原理是先使用太陽能光伏發(fā)電，然后將水電解得到氫氣和氧氣。相當(dāng)于將太陽能進(jìn)行了兩次能量轉(zhuǎn)化，降低了太陽能的能量利用效率。根據(jù)市場上最為先進(jìn)光伏電解制氫模塊數(shù)據(jù)，以及2020年發(fā)改委公布集中式光伏發(fā)電指導(dǎo)價(jià)格計(jì)算，光伏電價(jià)為0.35-0.49元/kWh，對應(yīng)產(chǎn)出1噸氫氣，所需電量為53000kWh，不考慮電解水設(shè)備和電極等其他成本，制氫成本已經(jīng)達(dá)到18550-26970元/噸（18-27元/kg, 1.65-2.32元/Nm3）。
以離激元光合綠色制氫的光路徑為例。能量轉(zhuǎn)換效率約為10%，即10%的光輻射量轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存在了氫氣產(chǎn)物當(dāng)中。因此，對應(yīng)于500Nm3/h的氫氣產(chǎn)能，所需要的每小時(shí)光輻射量約為62946MJ。在較強(qiáng)日照地區(qū)，太陽光水平面平均輻射功率按照1kw/m2計(jì)算，則每小時(shí)陽光總輻射量為1kwh/m2。因此，經(jīng)計(jì)算可得，500Nm3/h產(chǎn)能等離激元制氫工業(yè)單元，所需要的光照面積約為17485平方米（約26.25畝）。
以實(shí)現(xiàn)500Nm3/h產(chǎn)能的等離激元綠色制氫工業(yè)單元為例，依據(jù)目前試驗(yàn)數(shù)據(jù)估算總造價(jià)為1345萬元。氫氣密度為89g/m3，即按照每天日照10小時(shí)計(jì)算，該單元日產(chǎn)氫氣445kg，按照每年300日照計(jì)算，年產(chǎn)氫氣133噸。催化劑壽命約為20年。按照20年折舊計(jì)算，折舊成本為5056元/噸氫氣?？紤]控制系統(tǒng)電力消耗、水消耗及催化劑清洗，總運(yùn)營成本約為1000元/噸氫氣。因此該模塊制氫總成本為6056元/噸（6元/kg, 0.54元/Nm3）。
同等條件下，如果采用熱路徑，火電廠、鋼鐵廠、化工廠產(chǎn)生的廢熱可實(shí)現(xiàn)等離激元熱輻射分解水制氫。年產(chǎn)氫氣133噸的合成廠需要廢熱熱量62946MJ。假定廢熱零成本，熱路徑制氫總成本約6000元/噸（0.54/元Nm3）。
經(jīng)比較可見，等離激元綠色制氫的成本不到光伏制氫的三分之一。而且隨著大規(guī)模工業(yè)化后，等離激元綠色制氫設(shè)備工藝可進(jìn)一步提高，成本則可進(jìn)一步降低。
受熱機(jī)效率的物理限制，火電廠、鋼鐵廠、化工廠的廢熱約占總能量比例60%。僅全國火電每年約消耗16億噸標(biāo)煤，其排放到空氣的廢熱能量為3000萬太焦耳/年。理論上，中國即使所有地區(qū)供熱均采用廢熱供熱，也只能消耗這些工業(yè)廢熱的8%，其余熱能均為成本為零的廢熱熱能?！暗入x激元綠色制氫”技術(shù)可以利用這些熱能將水轉(zhuǎn)化成氫氣，實(shí)現(xiàn)廢熱的利用，將其轉(zhuǎn)變?yōu)楦吒郊又到?jīng)濟(jì)產(chǎn)品。
考慮到能源結(jié)構(gòu)和位置因素，我國的火電廠可配套該技術(shù)?；痣娦袠I(yè)產(chǎn)生大量廢熱，可用來制造氫能，能夠大幅提高電廠能源的梯級利用效率，為電力行業(yè)的節(jié)能提供了一個(gè)新方法。通過技術(shù)改造，對現(xiàn)有電解水制氫進(jìn)行升級轉(zhuǎn)型，可節(jié)約大量的技改費(fèi)用，節(jié)能高效，減少廠用電的使用，提高電廠的效益。利用火電廠制氫、儲氫、管道輸送和使用方面的經(jīng)驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)氫能的大量生產(chǎn)和應(yīng)用。每個(gè)產(chǎn)生廢熱的火電廠均可成為城市的氫能分布式生產(chǎn)中心，電廠發(fā)展了新的制氫產(chǎn)業(yè)，為城市的氫能發(fā)展提供充足的、價(jià)格合適的氫能。該技術(shù)在火電行業(yè)推廣后，為火電企業(yè)提供了內(nèi)生發(fā)展動(dòng)力，將來可以形成電力和氫能“雙能驅(qū)動(dòng)”的格局，電廠將獲得新生，成為能源生產(chǎn)中心。
未來，我國可以輸出等離激元綠色制氫技術(shù)，服務(wù)“一帶一路”，與沿線各國合作實(shí)現(xiàn)綠色制氫，助力構(gòu)建“綠色一帶一路”，促進(jìn)全球可持續(xù)發(fā)展，為推動(dòng)構(gòu)建人類能源命運(yùn)共同體和環(huán)境命運(yùn)共同體做出積極貢獻(xiàn)。根據(jù)國際太陽能熱利用區(qū)域分類，全世界太陽能輻射強(qiáng)度和日照時(shí)間最佳的區(qū)域包括北非、中東地區(qū)、美國西南部和墨西哥、南歐、澳大利亞、南非、南美洲東、西海岸和中國西部地區(qū)等，太陽年輻照量測量值大于6480MJ/m2。北非地區(qū)是世界太陽能輻照最強(qiáng)烈的地區(qū)之一，如阿爾及利亞的太陽年輻照總量9720MJ/m2，摩洛哥9360MJ/m2，埃及10080MJ/m2等。這些地區(qū)擁有世界上最豐富的太陽能資源，并且大約53％的陸地面積在“一帶一路”倡議的地區(qū)內(nèi)。
能源是決定人類進(jìn)步的主要支撐，是經(jīng)濟(jì)增長的戰(zhàn)略投入因素。國際可再生能源機(jī)構(gòu)的《全球可再生能源展望》報(bào)告指出，實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型每花費(fèi)1美元帶來1.5至5美元的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。因此，等離激元綠色制氫技術(shù)在推動(dòng)世界能源轉(zhuǎn)型的同時(shí)，能夠促進(jìn)世界經(jīng)濟(jì)增長。
五、加大政策支持力度
（一）為了實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)，加速能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，提高氫能源使用范圍，降低綠氫制取成本成為當(dāng)務(wù)之急，支持并推動(dòng)等離激元光合制氫技術(shù)盡快工業(yè)化，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模發(fā)展勢在必行。
（二）建議將該技術(shù)納入“具有前瞻性、戰(zhàn)略性的國家重大科技項(xiàng)目”予以支持。支持建設(shè)等離激元光合制氫重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。
（三）建議設(shè)立“等離激元光合制氫”技術(shù)青年科學(xué)家項(xiàng)目，支持青年科研人才脫穎而出，加大技術(shù)創(chuàng)新人才培養(yǎng)力度。
（四）建議國家出臺相關(guān)支持政策，利用“等離激元光合制氫”技術(shù)對火電廠、水泥廠、化工廠等行業(yè)的綠色化改造，加快推進(jìn)鋼鐵行業(yè)向綠氫冶金轉(zhuǎn)型。
