将太阳能光解水、风能电解水等制取的“绿氢”，与从工业排放或空气中捕集的二氧化碳反应，合成甲醇。甲醇常温常压下是液体，储运安全方便，堪称“流动的氢能”，亦称液态太阳燃料或液态阳光，可安全替代化石能源，是一种能够实现长周期、大规模的储能、储氢技术
文 |《瞭望》新闻周刊记者 扈永顺
我国能源结构是富煤、贫油、缺气，发展氢能产业对推动我国能源结构更加清洁高效和可持续发展具有重要战略意义，“十五五”规划纲要将氢能列为前瞻布局的未来产业之一。
中国科学院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员李灿带领团队长期开展太阳燃料合成研究，利用太阳能等可再生能源分解水（光解水、电解水）制氢。为解决氢不易存储运输难题，团队将氢与二氧化碳反应，合成清洁的液态阳光甲醇燃料，开拓储能新途径。此外，团队还为石化行业剧毒废气硫化氢的治理提供了全新路径，有助于减少硫化氢的排放并实现资源化利用。
“前瞻布局氢能产业，能够实现生态环境保护前提下社会的可持续、绿色发展，对实现‘双碳’目标至关重要。”李灿在接受《瞭望》新闻周刊记者专访时表示。
攻克光催化制氢技术难题
《瞭望》：太阳能光催化分解水制氢是世界性难题，你带领团队攻克了哪些技术难题？
李灿：水分子结构异常稳定，每摩尔水分子分解为氢气和氧气需要注入237千焦能量，是一个在自然界和常规条件下极难发生的反应。太阳能光催化分解水制氢难度极大，我们团队自2001年开始启动太阳能光催化研究，这条路已经走了20多年。
太阳能光催化分解水制氢核心难点在于如何高效利用太阳光能。太阳光就像一条由不同颜色光线组成的“能量带流”，其中紫外光仅占约5%，而红、橙、黄、绿等可见光占近50%，近红外光占约43%。可见光和近红外光是太阳光中能量最丰富的部分。
分解水需要用到光催化材料，其作用类似于“能量捕手”，吸收太阳光中的能量，将水分解成氢气和氧气。目前大多数光催化材料主要对紫外光区敏感，对太阳光谱中占主导的可见光及近红外光吸收不足，制约太阳能转化效率。而且当光照射到催化材料上时，会产生光生载流子，需要其从催化材料内部跑到表面，才能参与分解水制氢，这一过程效率极低，成为限制光催化量子效率的关键瓶颈。
此外，催化过程中，特别是水氧化半反应是一个涉及多电子—质子耦合转移的复杂过程，包含氢—氧键断裂与氧—氧键形成。该过程通常具有较高的活化能垒与缓慢的反应速率，成为整个水分解反应速率的决定步骤，进一步制约了光催化体系的整体性能。
在攻克这些难题过程中，我们团队先后发现和提出了一系列原理和原创性策略。例如“双助催化剂”等策略，在催化剂表面像布置精密“工作站”一样，分别在产氢和产氧的位点精准组装不同的催化剂，既加速反应，又防止氢气和氧气倒流复合。基于新发现的系列原理，在光催化分解水的核心指标——量子效率上不断取得突破，实现多个光电催化分解水制氢体系中太阳能制氢效率全球最高纪录。
此外，研发了可实现规模化、高效、低成本的电催化剂，发展了每小时千方级以上的电解水制氢技术，广泛应用于大规模电解水制氢过程。
《瞭望》：将这些技术推向实际应用中克服了哪些挑战？
李灿：我们团队很早就开始探索太阳能光电催化分解水制氢规模化应用路径。传统的光催化分解水技术产业化面临许多挑战，例如氢气和氧气在光催化剂上同时混合产生，存在严重逆反应，规模化应用中产物分离困难及存在爆炸安全隐患，等等。
我们团队提出了可实现规模化制氢的氢农场策略，开创了一条全新的太阳能制氢技术路线，为规模化应用消除了限制。该策略通过“解耦”的方式，将光催化水氧化（产氧/储能）与电化学质子还原（产氢）在时空上分离，实现分解水制氢，在原理上避免了氢气和氧气的逆反应，同时氢气集中分离收集规避了后续氢气和氧气分离难题，以及大面积密封体系的限制。
为了解决氢气的储存和运输瓶颈，进一步将目光投向了一个液态阳光甲醇方向，将太阳能光解水、风能电解水等制取的“绿氢”，与从工业排放或空气中捕集的二氧化碳反应，合成甲醇。甲醇常温常压下是液体，储运安全方便，堪称“流动的氢能”，亦称液态太阳燃料或液态阳光，可安全替代化石能源，是一种能够实现长周期、大规模的储能、储氢技术。
《瞭望》：目前液态阳光甲醇的产业化项目有哪些进展？
李灿：国际上，2013年冰岛CRI公司启动了国际上第一个地热—电解水制氢—二氧化碳加氢制甲醇百吨级工业示范。我们于2018年在兰州新区实施了全球首套千吨/年太阳燃料合成示范项目，直接利用太阳能规模化合成甲醇，并于2020年试车成功，从工业上实证了从可再生能源到绿色液态燃料的整个技术路径。此外，2023年智利HIF公司完成了风电—PEM电解水制氢—二氧化碳加氢制甲醇千吨级工业示范；2025年欧洲能源公司在丹麦建成基于风电制氢、生物质来源二氧化碳的4万吨/年二氧化碳加氢制甲醇工业示范。
2023年，中国中煤能源集团有限公司与中国科学院大连化学物理研究所合作，启动了国际上第一个10万吨/年液态阳光甲醇合成项目，配套400MW光伏和225MW风电，系统耦合了碱性电解水制氢技术及设备、二氧化碳加氢制甲醇成套技术、风光电—氢—甲醇智慧化管控技术。该项目预计今年9月试车运行，年直接消纳二氧化碳约14万吨，间接减排26万吨，直接与间接形成的碳减排能力为40万吨/年。若当前我国甲醇合成全部由二氧化碳加氢制甲醇替代，可实现约2500万吨/年氢能转化和存储，年减排二氧化碳3亿～4亿吨。
将剧毒气体变废为宝
《瞭望》：团队是如何将硫化氢变废为宝，产出氢气的？
李灿：在天然气、石油化工、煤化工等领域，会产生大量硫化氢，是一种剧毒气体。据中国硫酸工业协会等机构的不完全统计，我国每年处理的硫化氢量约80亿立方米，全球范围内年处理量超过700亿立方米，潜在待处理量超过4万亿立方米。
传统的克劳斯工业处理方式，采用氧化工艺消除硫化氢，不能达到完全消除。
我们团队自2003年起致力于探索利用光、电等非常规手段分解硫化氢。经过多年的研发和完善，发展了离场电催化技术。与传统电催化反应在电极表面进行不同，离场电催化技术利用电子介导对与硫化氢之间的化学势差，将原本发生在电极表面硫化氢氧化生成硫磺的氧化反应，以及氢质子还原生成氢气的还原反应过程，巧妙地转移到电解槽之外独立的反应器中分别进行。
这一设计避免了硫磺在电极表面沉淀及污染电池隔膜的难题，排除了催化剂表面气泡粘附对析氢反应的影响，发明了电催化制化学品的新反应模式。整个催化过程条件温和，未来在煤化工、石油化工、油气开采等行业具有巨大的潜在应用前景。
《瞭望》：如何提高硫化氢制氢技术的经济性，实现更大规模的推广？
李灿：目前，离场电催化技术已申请26项专利，其中12项已获授权，具有完全自主知识产权。基于该技术，我们联合企业在河南新乡建成了国内外首套年处理10万立方米硫化氢的中试示范装置。该装置目前已连续稳定运行超过1000小时。
离场电催化技术包括氧化、电化学池、产氢三个串联单元，工业运行结果显示，电化学池单元生产高纯氢的能耗仅为2.9度电/标准立方米氢气，较传统碱性电解水4.3~4.8度电/标准立方米氢气的能耗，能效提升约40%，具有明显的制氢成本优势，是一条低碳清洁氢的路线。
理论上硫化氢分解制氢的电耗有很大的下降空间，电催化硫化氢分解的理论能耗可以低于0.4度电/标准立方米氢气，是电解水理论电耗的1/7左右，目前实验室开发的最新研究体系，可以将硫化氢的分解能耗降为0.7度电/标准立方米氢气，已经降至电解水制氢理论能耗的1/6，制氢成本的经济效益十分明显。
以下游应用场景拉动氢能产业发展
《瞭望》：前瞻布局氢能产业，你有哪些建议？
李灿：结合氢能产业的发展现状与未来趋势，建议大力发展非化石能源（风、光电等），推动绿氢发展，优化产业结构。目前国内氢能生产以灰氢为主，其通过化石燃料重整制得，生产过程大量排放二氧化碳和污染物。而利用可再生能源电解水制取绿氢，近乎零排放。建议大力发展绿氢，逐步减少灰氢。政府可在财政补贴、税收优惠、项目审批等方面支持绿氢产业，如设立专项基金补贴绿氢制取、设备研发，对使用绿氢替代灰氢的企业减免税收，或通过碳市场交易，推进氢能产业。
发挥绿氢在“双碳”战略中的作用。“双碳”战略下，冶金、石化、材料、交通等刚性排放二氧化碳的工业领域减排压力大。绿氢在这些行业碳中和进程中可发挥关键作用，例如冶金行业氢冶金技术替代焦炭还原工艺，可大幅减少碳排放；石化行业以绿氢为原料生产低碳烯烃、芳烃等基础化工产品，实现绿色转型；交通领域推广氢燃料电池汽车可替代化石燃料，减轻石油进口依赖度。应制定政策标准，引导鼓励这些行业采用绿氢技术，推动产业绿色低碳发展。
大力发展液态阳光甲醇，延伸产业链条。通过绿氢将二氧化碳转化为液态阳光甲醇，既提供清洁液体燃料，也生产重要绿色化工原料，并拓展氢能应用领域，如合成乙烯、丙烯等基础原料，进而生产高分子材料，以及合成医药中间体、香料、染料等精细高端化学品；利用液态阳光甲醇路径可进一步合成可持续航空燃料（SAF），减少航空业碳排放，推动航空业绿色可持续发展，建议加大支持力度，组织科研力量攻关关键技术，建立生产示范基地，推动SAF在航空业广泛应用，同时加强国际合作交流，提升我国在全球航空业绿色发展中的话语权与影响力。
理性布局氢能产业，以应用促发展。防止部分地区“一窝蜂”上马制氢项目，缺乏科学评估与长远规划，易致产能过剩、资源浪费。氢能发展应先布局下游应用场景，明确其在工业、交通、储能等领域的规模化应用出口，形成需求拉动配资炒股官网，针对性落地制氢项目。■
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