探索钯在制氢中的可持续优势

未来的主要燃料是什么?

走向零碳未来无疑是21世纪所面临的最大的能源和环境挑战。目前，全球每年在这方面的投资高达数亿美元，但最近的分析表明，仅仅依靠风力涡轮机和太阳能电池板等现有技术可能不够。即使不切实际地设想横贯大陆的超导输电线路能以100%的效率运行，推动风能和太阳能发电能力大幅提升，我们在风能和太阳能发电量较低的时期仍需面临频繁、长时间停电的风险。这些时期的能源短缺数量巨大，几乎等同于一个大国的能源消耗量。

科学界普遍认为，要真正消除碳氢化合物燃烧产生的碳排放，我们需要大容量能源存储解决方案。然而，若使用蓄电池来弥补该短缺，高昂的成本令人望而却步，因为要生产足够的电池来满足我们的需求，所需的成本甚至超过全球GDP总和。因此，人们将目光转向了绿色氢气，认为它有可能改变能源存储的游戏规则，甚至成为航空业未来的燃料。传统电池重量大，无法作为飞机发动机的动力来源，尤其是对于大型飞机而言，会导致实际起飞困难，而且造成飞行隐患。

然而，绿色氢气也并非十全十美。根据国际能源署的数据，绿色氢气的生产成本远远高于天然气制氢成本。由于使用甲烷制氢的单位能源成本高于甲烷的单位能源成本，所以人们难免担心将绿色氢气作为一种环保能源解决方案是否具有经济可行性。

寻找铂金的替代品

降低绿色氢气生产成本的发展前景广阔。其中最高效的当属质子交换膜(PEM)电解槽。这些设备利用太阳能和风能等可再生能源，将水分解为氢气和氧气。但问题是，质子交换膜电解槽的能效峰值通常只有75%，且实际性能可能要远低于此。这种限制主要归因于阳极催化剂的效率，阳极催化剂在质子交换膜电解过程中起着至关重要的作用，在电解过程中，水会被分解为质子(氢气)和氧气。

大多数催化剂的问题在于它们在高氧环境中表现不佳，极易降解。以铂族金属为基础的催化剂以其高抗氧性而著称，具有更高的稳定性。目前，铱基催化剂(如铱黑和氧化铱)颇受用户的欢迎。

然而，利用铱来大规模生产绿色氢气面临一个主要障碍：铱的稀缺性。铱的年产量不足100千克，是世界上最稀有的金属之一，因此在普遍的碳中和解决方案中，无法将其用作核心成分。此外铱每盎司成本高达数千美元，更使铱的应用雪上加霜。虽然钌等替代品也有望用作催化剂，但它们在富氧环境中往往溶解过快。

幸运的是，铂族提供了其他选择，包括价格更低廉的钯。用钛氧化物颗粒负载钯和铱的催化剂实验结果显示，此等做法前景广阔，有望取得成功。钯还被用于核壳结构复合催化剂中。

使用钯具有显著优势。它有助于将水快速分解成氢气，且不会在分解过程中溶解。这一工艺已顺利通过理论阶段，钯铱催化剂已经过实验室验证，正在模拟工业环境中进行测试。这些发展标志着我们在寻求高效、经济的绿色氢气生产方案方面迈出了积极的一步。

锂危机：切不可重蹈覆辙

与铱相比，钯除了具有成本效益外，在供应方面也有很大优势。全球采矿业每年生产数百吨钯，是铱产量的数千倍。由于铱在绿色氢气行业中产量有限，成本高昂，所以这一差距至关重要。随着绿色氢气产量的增加，预计铱的需求量将大大超过供应量。根据市场动态，这种不平衡预计会导致价格飙升，有可能将绿色氢气的成本推高到许多人无法承受的水平。

这种情况与最近锂市场的价格飙升如出一辙。汽车制造商在推动实现净零排放的过程中，提高电动汽车产量，造成了电动汽车电池所需原材料供应紧张。

由于铂族金属在地壳中相对稀缺，所以它们面临的挑战可能比锂更为严峻。快速用钯替代铱可以缓解这一问题，而且业界也正在积极寻求技术解决方案。预计随着大规模绿色氢气项目的启动以及这些项目所带来的可观经济回报，绿色氢气行业有望迅速加快创新和调整步伐。