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氫能作為一種熱值高、能量密度大、來源多樣的綠色能源，被譽為21世紀(jì)的“終極能源”。如何開發(fā)出更低成本的氫能，助力實施產(chǎn)業(yè)建圈強鏈？

近日，記者從四川大學(xué)獲悉，四川大學(xué)芶富均教授團(tuán)隊在其研發(fā)的國內(nèi)首套液態(tài)金屬制氫設(shè)備基礎(chǔ)上，在熔融催化劑材料制備、反應(yīng)裂解爐設(shè)計和加工、在線連續(xù)排碳技術(shù)等方面取得了重大突破，順利進(jìn)入熔融介質(zhì)裂解制氫產(chǎn)業(yè)化階段。

滿足大規(guī)模應(yīng)用

目前，利用可再生能源+水電解的方案是大規(guī)模生產(chǎn)綠氫的唯一技術(shù)路線，然而太陽能和風(fēng)能等可再生能源充沛地區(qū)往往存在水資源不足、遠(yuǎn)離需求中心等矛盾，存在高能耗、高成本、遠(yuǎn)距離儲運安全等問題。因此，目前全球正積極探索低碳排放、低成本、可大規(guī)模應(yīng)用的綠氫制備新技術(shù)。

去年初，芶富均教授團(tuán)隊在國內(nèi)首次研發(fā)出液態(tài)金屬熱裂解裝置，利用液態(tài)金屬產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)熱解溫度場，結(jié)合液態(tài)金屬本身的催化特性，可促進(jìn)甲烷分子裂解形成氫氣和固態(tài)碳，實現(xiàn)零排放、高效制氫。

近日，該團(tuán)隊又迎來新進(jìn)展——歷經(jīng)一年半，成功開發(fā)了新一代綠氫制備技術(shù)——熔融介質(zhì)催化熱裂解制氫。

“天然氣的主要成分是甲烷，目前天然氣重整制氫技術(shù)存在大量碳排放問題。”芶富均說，利用熔融介質(zhì)催化熱裂解制氫技術(shù)可以將天然氣中的甲烷裂解成氫和固態(tài)碳（炭黑、石墨或石墨烯），無CO2排放，可直接利用現(xiàn)有天然氣和LNG的基礎(chǔ)設(shè)施制備綠氫。

“熔融介質(zhì)熱裂解技術(shù)基本原理是采用具有催化特性的熔融介質(zhì)材料，主要為液態(tài)金屬和熔融鹽，作為高溫媒介，使碳?xì)浠衔镏械奶細(xì)滏I斷裂生成氫氣和固態(tài)碳，反應(yīng)過程中無二氧化碳產(chǎn)生。”芶富均進(jìn)一步解釋，同時，相比于電解水制氫，催化熱裂解所需能量更低，并且可以獲得副產(chǎn)物碳，經(jīng)濟(jì)效益更高。

此外，我國天然氣基礎(chǔ)設(shè)施完善、技術(shù)成熟且無區(qū)域限制，相比于電解水制備-存儲-運輸-使用的工業(yè)流程，催化熱裂解技術(shù)只需通過管道運輸天然氣并在用戶區(qū)域現(xiàn)場制氫，氫氣儲運成本更低并且安全性更高，可以滿足綠氫在交通、電力、化工、建筑等領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。

建立自主研發(fā)平臺

“通過十年來大量研究探索，團(tuán)隊掌握了催化劑材料制備、反應(yīng)器材料選取、結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造等關(guān)鍵技術(shù)，自主開發(fā)了熔融介質(zhì)制氫實驗平臺。”芶富均介紹，團(tuán)隊自主開發(fā)了高效、低成本的催化劑，在1100℃下甲烷轉(zhuǎn)化率高達(dá)95%。同時，發(fā)展了在線除碳新技術(shù)，可實現(xiàn)連續(xù)制氫。相關(guān)技術(shù)取得了重大突破。

此外，通過調(diào)節(jié)反應(yīng)器中反應(yīng)溫度、天然氣流量、催化劑種類等關(guān)鍵參數(shù)，也可實現(xiàn)大規(guī)模石墨烯的生產(chǎn)等，極大地增大副產(chǎn)物碳的經(jīng)濟(jì)附加值。

“測算表明，氫氣制備成本為18元/公斤，隨著大規(guī)模應(yīng)用，制氫成本必將繼續(xù)降低。”芶富均表示，目前研究團(tuán)隊已建立中試關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)平臺，預(yù)計2024年實現(xiàn)日產(chǎn)100-500公斤氫氣的中試目標(biāo)。“中試完成后，針對不同應(yīng)用場景我們可提供兩種技術(shù)解決方案，即集中式大規(guī)模制氫站和分布式撬裝現(xiàn)場制氫加氫站。”

芶富均教授團(tuán)隊長期專注于高溫液態(tài)金屬的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。這支科研隊伍很年輕，科研一線的十余名成員平均年齡只有30余歲。在國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等科研項目支持下，積累了豐富的液態(tài)金屬制氫、儲能、聚變堆偏濾器、硼中子俘獲治療（BNCT）靶等應(yīng)用領(lǐng)域研究經(jīng)驗。在液態(tài)金屬制氫和制石墨烯等方面已申請了20余項專利，部分成果獲得2019年度四川省科技進(jìn)步一等獎。

“川渝兩地天然氣及頁巖氣資源儲量十分豐富，這是發(fā)展氫能的良機。”芶富均說。為打好實現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和這場硬仗，熔融介質(zhì)裂解制氫可成為當(dāng)下高效率、低成本、大規(guī)模制備綠氫，助力碳減排和優(yōu)化清潔能源結(jié)構(gòu)最有潛力的技術(shù)方案。發(fā)展該技術(shù)，有利于改善兩地能源結(jié)構(gòu)，促進(jìn)天然氣就地綠色轉(zhuǎn)換。

原標(biāo)題：四川大學(xué)科研團(tuán)隊率先進(jìn)入制備綠氫產(chǎn)業(yè)化階段