中國儲能網(wǎng)訊：電催化、太陽能電池、燃料電池、鋰電池、生物質(zhì)能5大清潔能源技術(shù)正協(xié)同構(gòu)建新型能源體系的核心支柱。本文分析了五大清潔能源的資源利用、技術(shù)發(fā)展和未來趨勢，提出構(gòu)成“發(fā)電—儲能—轉(zhuǎn)換—利用”一體化的清潔能源生態(tài)鏈，為清潔能源的進一步推廣和可持續(xù)發(fā)展提供參考。
能源作為國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展與變革始終與經(jīng)濟社會的發(fā)展緊密相連。隨著全球能源需求的持續(xù)增長和環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，傳統(tǒng)能源的過度使用已經(jīng)給地球環(huán)境帶來了嚴(yán)重的污染和破壞。為了解決這些問題，須轉(zhuǎn)向清潔能源的開發(fā)和利用，以期減少對傳統(tǒng)能源的依賴，降低環(huán)境污染，并推動經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。清潔能源以其可再生性和清潔性的特點，成為全球能源轉(zhuǎn)型的焦點。
1 “液態(tài)陽光”：碳捕集、綠電制氫與催化合成
“液態(tài)陽光”的概念由中國科學(xué)院液態(tài)陽光研究組于2018年9月在Joule上首次正式命名，旨在描述一種生產(chǎn)過程碳排放極低，甚至為零的清潔甲醇。其核心思路是利用太陽能、風(fēng)能等可再生能源發(fā)電來電解水制取綠氫，然后催化捕捉的二氧化碳（CO2）與綠氫反應(yīng)合成甲醇（CH3OH），從而將可再生的能量以液態(tài)化學(xué)燃料的形式儲存和利用，形成一個近乎零排放的循環(huán)，示意如圖1所示。這一技術(shù)已走出實驗室，進入工業(yè)化示范階段并取得了實質(zhì)性突破。
盡管技術(shù)前景廣闊，但“液態(tài)陽光”要實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化，仍需跨越3個主要障礙：
（1）成本是當(dāng)前主要障礙；
（2）技術(shù)整合與系統(tǒng)復(fù)雜度高；
（3）碳定價機制不完善。
因此，可以通過技術(shù)降本增效、政策碳稅引導(dǎo)、多元化市場應(yīng)用以及規(guī)模效應(yīng)與產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同，共同推動液態(tài)陽光甲醇商業(yè)化。
圖1 液態(tài)陽光能源方案示意
1.1 CO2還原
由于與高生活水平相關(guān)的能源需求不斷上升，通過提高傳統(tǒng)化石燃料的利用效率來減少CO2排放是不切實際的。因此，將CO2轉(zhuǎn)化為有用的化學(xué)品和燃料更具吸引力，不僅可以減輕環(huán)境污染，還可以產(chǎn)生增值化學(xué)物質(zhì)，為應(yīng)對能源和環(huán)境挑戰(zhàn)提供了雙重補救措施。CO2電化學(xué)轉(zhuǎn)化是一種有前景的能量轉(zhuǎn)換方法，也可以捕獲CO2排放。
華中科技大學(xué)夏寶玉團隊在Nature中的研究指出一種質(zhì)子交換膜系統(tǒng)，并利用廢舊電池回收制備鉛基催化劑，用于酸性CO2電解。其電解槽示意如圖2所示。通過使用堅固高效的催化劑、穩(wěn)定的三相界面和耐用的膜，這種卓越的性能將有助于推動碳中和技術(shù)的發(fā)展。
圖2 CO2RR 的質(zhì)子交換膜電解槽示意
清華大學(xué)王定勝團隊研究表明，具有活性單位點的均質(zhì)分子復(fù)合物在電催化轉(zhuǎn)化過程中有很大的前景。團隊展示了一種超分子結(jié)構(gòu)策略，該策略利用氧位點來加強復(fù)合物、支持相互作用，從而闡明了空間間隙影響的析氧反應(yīng)（OER）催化機制。實驗結(jié)果表明，窄間隙將有利于電子穿梭并穩(wěn)定分子復(fù)合物，從而實現(xiàn)安培級電流密度。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)吳宇恩團隊在Nature Synthesis中的研究指出通過控制碳酸鹽殼的類型，可以精確控制還原過程中高價態(tài)向價態(tài)演化的速率，引導(dǎo)重構(gòu)催化劑向高活性、低配位結(jié)構(gòu)的小顆粒方向發(fā)展。此外，可以通過控制碳酸鉀涂層外殼的厚度來調(diào)節(jié)低配位結(jié)構(gòu)（如晶界密度）的產(chǎn)生，從而優(yōu)化CO2RR的性能。
重慶大學(xué)李存璞團隊發(fā)表在Small中的研究指出，利用靜電紡絲技術(shù)合成了多種錫基材料，以控制電化學(xué)還原過程中的吸附強度，從而提高CO2對甲酸鹽的還原選擇性。
夏寶玉團隊從穩(wěn)定、長壽命、低成本的系統(tǒng)角度出發(fā)；王定勝、吳宇恩及李存璞團隊從高性能催化劑角度出發(fā)。在催化劑設(shè)計上，各團隊都圍繞“精準(zhǔn)調(diào)控活性位點局域環(huán)境”這一核心。
1.2 電解水制氫
氫有著高能量密度、零碳排放及可再生等優(yōu)勢，被認(rèn)為是最具發(fā)展前景的化石燃料替代品。兩個半電池反應(yīng)驅(qū)動這一過程：析氫反應(yīng)（HER）和析氧反應(yīng)（OER）。研發(fā)一種高性能的OER電催化劑對于提升水分解電池的整體效能至關(guān)重要。
北京科技大學(xué)龐曉露團隊在研究中指出“電子島”微界面工程策略，通過層級結(jié)構(gòu)設(shè)計與量子點耦合，開發(fā)了高效穩(wěn)定的FeP@NiCoP/Mo4P3異質(zhì)結(jié)催化劑。這一策略為低成本、高性能氫能催化材料的開發(fā)提供了新思路，并驗證了復(fù)雜環(huán)境下界面工程的實際應(yīng)用潛力。
北京化工大學(xué)孫曉明團隊在Nature中的研究指出，波動性可再生能源驅(qū)動的海水電解中陰極氧化腐蝕問題，如圖3所示。
圖3 電解（海）水啟停循環(huán)下陰極的氧化與腐蝕
美國俄勒岡大學(xué)化學(xué)與生物化學(xué)系Paul A.Kempler團隊在Chemical Reviews中的研究指出，電解水過程中析氫反應(yīng)和析氧反應(yīng)產(chǎn)生的氣泡會影響制氫的能量轉(zhuǎn)換效率。其工作也概述了氣泡生命周期中發(fā)生的物理過程，如圖4所示。
圖4 堿性電解質(zhì)析氫反應(yīng)過程中H2（g）氣泡的“生命周期”示意
1.3 合成氨（NH3）
NH3是合成化肥、藥品、精細(xì)化學(xué)品和塑料的重要化工商品，是現(xiàn)代文明的基石。NH3具有高的重量氫密度（17.8%），與甲醇相當(dāng)?shù)母吣芰棵芏龋约耙子谝夯?、便于儲存和運輸?shù)扔欣匦裕虼?，NH3作為直接燃料和氫載體具有巨大的潛力。其中氮還原為NH3是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵途徑。
中國科學(xué)院大學(xué)王要兵團隊在Advanced Materials中的研究指出NH3合成過程的6個里程碑，如圖5所示。青島科技大學(xué)賴建平團隊在Chinese Journal of Catalysis中的研究指出采用協(xié)同策略，制備碳包覆的超低四維金屬釕摻雜液態(tài)金屬鎵（Ru0.06/LM@C），用于在寬范圍N2濃度內(nèi)進行氮還原反應(yīng)。
圖5 氮還原為氨的里程碑時間線
2 太陽能電池：讓每一縷陽光都充滿價值
太陽能電池的工作原理是直接將太陽光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽且环N清潔、可再生的能源，不產(chǎn)生溫室氣體排放，有助于減少對化石燃料的依賴。關(guān)于太陽能電池的熱點研究種類主要包括以下方向。
2.1 染料敏化太陽能電池
染料敏化太陽能電池為利用植物光合作用激發(fā)的太陽能提供了一種很有前途的創(chuàng)新方法，研究主要集中在低成本、卓越的透明度、可持續(xù)性和簡單的制造工藝上，工作原理如圖6所示。
圖6 染料敏化太陽能電池原理
復(fù)旦大學(xué)彭慧勝團隊在Advanced Materials中的研究指出，通過發(fā)揮纖維結(jié)構(gòu)的360°受光優(yōu)勢，最大限度地利用纖維電極的活性面積來增強光捕獲，以提升光伏性能。設(shè)計了一種纖維染料敏化太陽能電池（FDSSC），在最外層封裝管上構(gòu)建了光擴散層，在內(nèi)部對電極上構(gòu)建了光轉(zhuǎn)換層。光擴散層呈現(xiàn)均勻的白色外觀，且在其中引入少量顏料即可實現(xiàn)外觀顏色的調(diào)控，大幅提高了纖維太陽能電池的可設(shè)計性，以及與織物的兼容性。
2.2 硅太陽能電池
因碳納米材料具有寬光譜吸收、可調(diào)諧能帶結(jié)構(gòu)以及高載流子遷移率等優(yōu)勢，被認(rèn)為是碳/硅（C/Si）異質(zhì)結(jié)太陽能電池最有前途的材料之一。
河北大學(xué)陳劍輝團隊在Advanced Science中的研究指出，通過界面鈍化策略設(shè)計了碳/硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池，以進一步提高功率轉(zhuǎn)換效率，并加速C/Si器件的大面積制備。
江蘇科技大學(xué)李陽團隊在Nature中的研究指出為避免外延，采用低損傷連續(xù)等離子體化學(xué)氣相沉積策略，成功制造出不同厚度（55~130 μm）的高性能電池。以“超薄、柔性”晶硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池的優(yōu)勢，其結(jié)構(gòu)與工藝示意如圖7所示，使得用于旅行的彎曲或卷起晶體硅太陽能電池指日可待。
揚州大學(xué)丁建寧團隊在Nature中的研究指出新型的致密異質(zhì)結(jié)鈍化接觸，突破行業(yè)一直以來的180~210℃的異質(zhì)結(jié)制備瓶頸。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)陳冠英團隊在研究中指出，一種多功能鉺（Er3+）和鐿（Yb3+）共摻雜NaY（WO4）2熒光粉，具有同步光子上轉(zhuǎn)換、光子量子切割和發(fā)光比率溫度傳感能力，為高性能硅材料開辟了新的可行性太陽能電池。
圖7 “超薄、柔性”晶硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)與工藝示意
現(xiàn)階段，對能源的需求量大幅增大，導(dǎo)致硅太陽能電池板使用量猛增，必須要將報廢的硅太陽能電池板合理地回收處理，減少對生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)面影響，確保資源的長期可利用性。武漢大學(xué)尹華意團隊在Nature Sustainability中的研究指出一種簡單的鹽蝕刻方法，僅需180 s就可以從報廢的硅太陽能電池板中回收銀和硅，且未使用無機酸等有毒試劑，更不會有二次污染產(chǎn)生。同時，硅太陽能電池板中的錫、鋁、銅和鉛也能被氧化、堿浸和電沉積相結(jié)合的方法進行處理。美國國家可再生能源實驗室研究人員在Joule中指出了成本敏感性分析，提高組件效率是降低成本的最高效途徑。在此，其團隊提供了鈣鈦礦/硅串聯(lián)（PST）光伏模塊4 T和2 T設(shè)計的成本模型，如表1所示。
表1 效率與成本表
3 燃料電池：驅(qū)動未來的清潔能源
燃料電池是一種化學(xué)裝置，能夠?qū)⑷剂蟽?nèi)含的化學(xué)能直接高效地轉(zhuǎn)化為電能，因此也被稱作電化學(xué)發(fā)電器。燃料電池具有以下優(yōu)點：
能源效率高、可持續(xù)性利用；
在環(huán)境方面可以做到零排放、低噪聲等優(yōu)點；
在交通運輸、固定電站以及便攜式電源等應(yīng)用領(lǐng)域方面占據(jù)重要地位。
3.1 氫氧燃料電池
氫氧燃料電池（HOFC）的運作機制建立在氫氣和氧氣于電極界面發(fā)生的氧化還原反應(yīng)之上，此過程通過外部電路實現(xiàn)電子的傳輸，進而產(chǎn)生電能。該類型電池展現(xiàn)出高效能與環(huán)保清潔的顯著優(yōu)勢。
重慶大學(xué)魏子棟團隊在Nature Energy中的研究指出一種量子井狀催化結(jié)構(gòu)（QWCS），可以選擇性地從氫氧化反應(yīng)中轉(zhuǎn)移外部電子，同時自身仍保持金屬性。QWCS催化的陰離子交換膜燃料電池實現(xiàn)了486 mW/mgNi的高功率密度，并在關(guān)機?啟動循環(huán)期間經(jīng)受住了氫不足操作。
廈門大學(xué)黃小青團隊在研究中指出，通過溶液相還原策略合成了具有六方緊密堆積（hcp）和面心立方（fcc）相界面的Ru?Sn納米花，這些納米結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出極高的堿性氫氧化反應(yīng)活性和耐久性。
用氫能代替燃油驅(qū)動各種交通工具，不僅能實現(xiàn)交通領(lǐng)域節(jié)能減排，而且能提高國家能源的安全性。但其發(fā)展必須攻克成本難點：
第一，目前燃料電池發(fā)動機比較貴倍；
第二，加氫站的建設(shè)費用比較高；
第三，加氫站的加氫費用每千克為60~70元，只有降到30元以下才能跟燃油車競爭。
魏子棟團隊致力于提出開創(chuàng)性的解決方案，黃小青團隊則提供了可快速應(yīng)用的優(yōu)化方案。共同推動燃料電池走向大規(guī)模普及（表2）。
表2 成本降低目標(biāo)和普及時間預(yù)測表
3.2 直接性燃料電池
直接甲醇燃料電池（DMFC）作為一種新型燃料電池，有著較低的工作溫度、超高能量密度以及小體積等優(yōu)點。DMFC使用甲醇作為燃料，無須配置高壓氫氣罐，大大增強了其便攜性。同時，也從一定程度上確保了安全。
中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所邢巍團隊在Angewandte Chemie International Edition中的研究指出，結(jié)構(gòu)自適應(yīng)策略可以通過引入動態(tài)Fe–F鍵打破氧還原中間體吸附能的線性縮放關(guān)系。
深圳大學(xué)駱靜利團隊在Advanced Materials中的研究指出，一種表面富集鉍（Bi）單原子修飾的鉑（Pt）納米環(huán)催化劑，其在DMFC中顯著降低鉑載量的情況下實現(xiàn)較高的功率密度。
重慶大學(xué)魏子棟團隊在Journal of the American Chemical Society中的研究指出，一種非包覆型催化劑/離聚物界面結(jié)構(gòu)，不僅可以避免Pt與磺酸基團直接接觸毒化，而且在氧還原反應(yīng)過程中，氧氣可以不用穿過致密的Nafion離聚物層直接到達(dá)催化劑表面參與反應(yīng)，大幅降低了氧氣局域傳質(zhì)阻力。
4 鋰電池：儲能領(lǐng)域的明星產(chǎn)品，引領(lǐng)行業(yè)新風(fēng)尚
隨著現(xiàn)今社會能源存儲技術(shù)的革新、新能源汽車的發(fā)展、節(jié)能減排與環(huán)境保護的意識不斷向好，提高能源利用效率和安全性迫在眉睫。鋰離子電池是最具潛能實現(xiàn)以上需求的電池。
4.1 商業(yè)化鋰離子電池
中國科學(xué)院大學(xué)溫兆銀團隊在Advanced Materials中的研究指出，通過氨水選擇性溶解鎳離子，結(jié)合KMnO4還原沉積在材料表面生成MnO2涂層，有效減弱了晶體結(jié)構(gòu)的相變傾向，減少了Li/Ni混排，從而提高了材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
清華大學(xué)歐陽明高團隊在Joule中的研究指出，特定的還原性氣體在熱失效發(fā)生前的早期熱積累階段占主導(dǎo)地位，只要切斷這種“還原性攻擊”的反應(yīng)途徑，就可以很容易地防止熱失控。
寧波東方理工大學(xué)孫學(xué)良團隊在Nature Nanotechnology中的研究指出一種超離子導(dǎo)體，高鋰兼容性和空氣穩(wěn)定的富含空位的β?Li3NSSE。使用富含空位的β?Li3N作為固態(tài)電解質(zhì)中間層和鈷酸鋰（LCO）和富鎳的LiNi0.83Co0.11Mn0.06O2（NCM83）正極的全固態(tài)鋰金屬電池表現(xiàn)出優(yōu)異的電池性能。
4.2 鋰硫電池
隨著科技的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)鋰離子電池雖已成功商業(yè)化，但其能量密度已逼近極限，難以滿足人類對能源日益增長的需求。在此背景下，鋰硫電池（Li?S）以其卓越的性能脫穎而出。其理論容量高達(dá)傳統(tǒng)鋰離子電池的3~5倍，這意味著在相同重量或體積下，Li?S電池能儲存更多的能量。此外，硫元素在自然界中廣泛存在，天然豐度極高，并且，硫元素對人體無害，無毒無污染，使得Li?S電池在環(huán)保方面具有得天獨厚的優(yōu)勢。
鋰硫電池可以通過“催化”策略和活性中間體策略抑制多硫化物的穿梭效應(yīng)，其中“催化策略”包括物理吸附和化學(xué)吸附。二者協(xié)同是提升性能的關(guān)鍵。
中國科學(xué)院大學(xué)張炳森團隊在Nano?Micro Letters中的研究指出，通過NH4F氟化MXene的方法成功制備了具有優(yōu)化氟分布的TiOF/Ti3C2催化劑，該催化劑顯著增強了金屬位點與多硫化物之間的相互作用。西江大學(xué)Jun Hyuk Moon團隊在Energy Storage Materials中的研究指出，調(diào)節(jié)Li2S電沉積也可以提高硫的利用率。天津大學(xué)楊全紅團隊和清華大學(xué)呂偉團隊在Advanced Energy Materials中的研究指出，用微孔限制催化策略，以實現(xiàn)硫的平穩(wěn)固?固轉(zhuǎn)化。電子科技大學(xué)熊杰團隊在Advanced Materials中的研究指出一種原位封裝策略，構(gòu)建不易燃的準(zhǔn)固體電解質(zhì)（QSE）。
4.3 鋰電池的回收利用
鋰電池回收再利用是實現(xiàn)新能源產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵一環(huán)，它并非一個簡單的“廢物處理”環(huán)節(jié)，而是連接電池生產(chǎn)與使用，實現(xiàn)資源閉環(huán)的核心。
寧德時代在其“全球能源循環(huán)計劃”中提出了“去原生礦化”的遠(yuǎn)景，目標(biāo)是未來全球1/2的鋰材料來自回收循環(huán)。浙江重申環(huán)保科技有限公司投資3.5億元建設(shè)年處理5萬t廢舊動力電池項目。欣旺達(dá)公司使用千噸電池修復(fù)料，可實現(xiàn)電芯成本減少近千萬元。這不僅能降低成本，還增強了供應(yīng)鏈的韌性。
5 生物質(zhì)能：自然與科技的完美融合
生物質(zhì)能是指借助自然界的大氣、水和土地等資源，在經(jīng)過光合作用后，其生成的各種有機體產(chǎn)物內(nèi)所蘊含的能量，它是太陽能以化學(xué)能形態(tài)儲存在生物質(zhì)中的一種形式。
中國農(nóng)業(yè)大學(xué)劉志丹團隊在Nature Communications中的研究指出，一種基于生物原油重質(zhì)組分利用的無氫煉制新技術(shù)和模式，實現(xiàn)了生物原油幾乎全組分增值利用（約90%）。北京化工大學(xué)衛(wèi)敏團隊在研究中指出，一種固定在CoAl混合金屬氧化物催化劑上的全暴露鉑簇合物（Ptn/CoAl?MMOs），該催化劑在糠醛（FAL）的液相加氫反應(yīng)中表現(xiàn)出突出的催化性能。
6 結(jié)論
清潔能源系統(tǒng)在催化、太陽能電池、燃料電池、鋰電池及生物質(zhì)能等領(lǐng)域呈現(xiàn)出技術(shù)創(chuàng)新、政策驅(qū)動、市場動態(tài)、關(guān)鍵領(lǐng)域趨勢，以及全球合作與影響等多方面的熱點，正在蓬勃發(fā)展。
“液態(tài)陽光”技術(shù)雖然環(huán)保優(yōu)勢明顯，但目前在經(jīng)濟性方面仍面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)；太陽能電池的新興技術(shù)的長期運行穩(wěn)定性與毒性安全問題待解決；燃料電池制氫、儲運、加注基礎(chǔ)設(shè)施不完善，嚴(yán)重依賴貴金屬鉑作為催化劑，成本高；鋰電池?zé)崾Э毓芾?、續(xù)航焦慮依然存在；生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化效率與選擇性待提升。
以清潔能源為支點，借助科學(xué)研究突破與產(chǎn)業(yè)體系變革的雙重驅(qū)動，不僅能夠推動社會持續(xù)向前發(fā)展，也將為人類文明的未來提供穩(wěn)定、可持續(xù)的能源基石。
