能源和資源的可持續(xù)發(fā)展是21世紀(jì)人類(lèi)面臨的最大挑戰(zhàn)之一。

氫，由于具備零碳高效、能源互聯(lián)、儲(chǔ)備豐富等優(yōu)勢(shì)，已快速崛起成為可持續(xù)發(fā)展的重要能源形式之一。

“例如電解水制氫市場(chǎng)在2018年還不到1億元，到現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到十幾億元甚至幾十億元的規(guī)模了。”復(fù)旦大學(xué)青年研究員、2022浦江創(chuàng)新論壇“尋找青年的聲音”青年先鋒龔鳴向上海科技表示，“在未來(lái)，氫能技術(shù)的研發(fā)會(huì)加速，整體氫能的效率會(huì)有大幅提升。”

“與此同時(shí)我們必須尋找有利于氫能閉環(huán)循環(huán)、高效轉(zhuǎn)化的‘制、儲(chǔ)、運(yùn)、用’全鏈條，才能真正服務(wù)于碳中和目標(biāo)，而不是創(chuàng)造出新的能源問(wèn)題或下一輪不可逆的能源危機(jī)。”龔鳴強(qiáng)調(diào)，氫能產(chǎn)業(yè)全鏈條的可持續(xù)性和高效性，是氫能經(jīng)濟(jì)乃至碳中和社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵基石。

尋找最優(yōu)氫能存在形式，不造成額外的能源或環(huán)境危機(jī)

不同于傳統(tǒng)化石能源，分子氫不存在于天然界中，因而氫能是一種二次能源。龔鳴表示，在氫能社會(huì)中，氫在各個(gè)形式中相互轉(zhuǎn)化，而在各個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程中轉(zhuǎn)化效率低或者產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)化都會(huì)在氫能的可持續(xù)性產(chǎn)生巨大影響，并有可能造成額外的能源或環(huán)境危機(jī)。

“這不是給氫能‘潑冷水’。氫能是為了能源可持續(xù)而生的，不應(yīng)該在推廣氫能的同時(shí)，造成更多的關(guān)于可持續(xù)的困擾。”龔鳴說(shuō)，在氫能發(fā)展的同時(shí)，必須考慮氫能轉(zhuǎn)化過(guò)程中的可持續(xù)性與高效性，尋找最優(yōu)氫能存在形式，加速氫在各最優(yōu)形式之間的轉(zhuǎn)化，確保氫轉(zhuǎn)化過(guò)程中的可逆性，才能真正地推動(dòng)以氫能為基礎(chǔ)的能源社會(huì)的發(fā)展。

“一方面，氫能產(chǎn)業(yè)是為了服務(wù)于碳中和，解決碳不平衡的現(xiàn)狀，因而其產(chǎn)業(yè)鏈條的可持續(xù)性和閉環(huán)性是其發(fā)展的前提，急需氫能產(chǎn)業(yè)的關(guān)注。另一方面，氫能全產(chǎn)業(yè)鏈條各個(gè)環(huán)節(jié)效率的疊加直接關(guān)系到整個(gè)能源結(jié)構(gòu)使用效率，是不可忽視的參數(shù)。”龔鳴介紹說(shuō)，“圍繞這兩個(gè)核心指標(biāo)去尋找氫能產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展方向、研發(fā)相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)是氫能發(fā)展的必然趨勢(shì)。”

“ 最易于可再生能源結(jié)合的低碳制氫技術(shù) ”

在制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫、用氫的四個(gè)環(huán)節(jié)中，都存在利用效率的問(wèn)題，各個(gè)環(huán)節(jié)的利用效率決定了可再生能源的最終利用率。其中，制氫是氫能循環(huán)的第一步，也是制約整個(gè)氫能循環(huán)效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。而龔鳴的科研團(tuán)隊(duì)所研究的電解水制氫技術(shù)，是最易于可再生能源結(jié)合的低碳制氫技術(shù)。

主流的電解水制氫技術(shù)包括堿性電解水技術(shù)(ALK)、質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)(PEM)、陽(yáng)離子交換膜電解水技術(shù)以及固體氧化物電解水技術(shù)。龔鳴目前關(guān)注的堿性電解水(ALK)技術(shù)，主要目標(biāo)就是通過(guò)高豐度、低成本的催化劑，降低整個(gè)電解水制氫的電耗。

“ALK的主要劣勢(shì)之一就是其相對(duì)低的電流密度和較大的能耗，因而通過(guò)技術(shù)攻關(guān)來(lái)提高電解效率已然成了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界爭(zhēng)先搶占的高地。”龔鳴介紹說(shuō)，“現(xiàn)在電解水的主要成本來(lái)自于電耗。通過(guò)精準(zhǔn)的材料設(shè)計(jì)，可以比現(xiàn)在工業(yè)上用的催化劑降低大概 20% 的能耗，而這就意味著可以大大降低制氫的成本，并提高可持續(xù)性。”

“突破現(xiàn)有電解水技術(shù)需要在考慮氫能效率的基礎(chǔ)上關(guān)注伴生的氧循環(huán)，才能更為充分地發(fā)揮其效率和可持續(xù)性。”龔鳴介紹，其中一條潛在路徑就是尋找一些大自然界中比較豐富的物質(zhì)，將水分子中的氧轉(zhuǎn)移到這些分子上，不產(chǎn)生氧氣，不僅僅可以提高總體的電解效率，而且可以獲取一些化工原料、醫(yī)藥前驅(qū)體等重要的高附加值中間體，增加制氫的價(jià)值。這條路徑通常稱(chēng)為耦合產(chǎn)氫路徑，在陰極制取純氫的同時(shí)陽(yáng)極氧化形成高附加值產(chǎn)物，極具探索的潛質(zhì)。

面向未來(lái)，龔鳴對(duì)自身的研究主要有兩個(gè)期待：

一方面，是以應(yīng)用為目標(biāo)，希望將研發(fā)出的新技術(shù)真正地應(yīng)用到行業(yè)中，幫助實(shí)現(xiàn)整體設(shè)備性能的提升，同時(shí)解決生產(chǎn)工藝放大過(guò)程中出現(xiàn)的工程及科學(xué)問(wèn)題；

另一方面，是從基礎(chǔ)科學(xué)角度出發(fā)，尋找氫能應(yīng)用更多的可能性，挖掘未來(lái)具有潛力的技術(shù)路徑并進(jìn)行集中攻關(guān)。

“我們更多地希望能有一些前瞻性的視角，能夠激發(fā)出更多的科研人員的靈感，拓展大家的思維。”龔鳴說(shuō)。