段东平：光解水制氢才是绿氢发展之路

编者按：9月14日，第五届未来能源大会举办氢能技术与应用发展专题论坛，聚焦于氢能领域的前沿技术和应用发展。本次论坛由中国能源研究会氢能专业委员会秘书长徐文辉主持，与会专家学者从氢能技术的标准、前沿技术研究和应用案例等几个方面，对氢能产业以及未来能源的可持续发展展开深入探讨。

中科院研究院段东平先生作了《光解水制氢才是绿氢发展之路》演讲。

以下内容根据论坛演讲实录进行整理。

段东平：刚才说人没有氧活不了，没有氢活不好，我再加两句，没有水，生不下来，没有阳光活不下去。就是想提前给我的演讲命题做个宣传。

我的命题今年6月份第一次在青海的格尔木，第二次是7月份在山东青岛做了相同的演讲报告，但是感觉反响并不强烈，似乎很少有人往这方面想也很少有人往这方面做研究，当然全世界也没有类似的生产线和产品。

今天提这个概念，我想在常州具备这样的氛围。光和水之间其实就是在地球上我们人类生存的最基本的两个条件，这两个生存条件其实也是我们人类最廉价的两个资源。水，几乎是没有成本的，而且可以肯定的是太阳光是没有成本的，所以用没有成本的原料去制备我们所需要的氢和氧，才是最廉价的，因此我们提出一个概念，什么叫绿呢?待会在报告里面会有相关的内容，全球对氢气的定义也有明确的定义，比如灰氢、蓝氢、绿氢，绿氢的要求是什么?排碳最少。现在排碳最少的是电解水制氢，因此大家统统把电解水制氢称作了绿氢，接下来我把我的内容给各位做一个分享。

内容分四部分，重点是在推荐我们前天在常州未来新能源大赛刚刚获得一等奖的我的一个技术。2019年建国70周年的时候，中国科学院学部给中央提交了一个报告，报告里面有很多内容，我选了两个图，出现了两条S型的线，这个S型的线在全球是通用的，资源开发的力度和能源消耗量几乎是一致的，因此它说明了一个问题，人均GDP事实上也跟这个S型的曲线成正比关系。中国的发展跟其他国家有所不同，在最近的四十的年间飞速发展，所以我们S型线的上升梯度也非常大。

在双碳政策出台之后，尤其是2021年国家对氢能政策给予了明确的指示之后，各种相关的文件、政策陆续出台，这个时候我们国内各行各业都开始关注这个事情。其中有一个非常重要的概念，就是氢究竟是用来干什么的。现在在现有的能源体系下，氢更多的是被看作是一种储能的方式。但是我个人非常倾向这样一个观点，氢是未来能源的终极形式。在我的技术里边，就是把氢和电作为最终的两个能源形式来看待的。

氢之所以独特，不光是从环保性上，人们通常认为的对工业、对民用使用上的便利，更重要的是氢的燃烧值非常高，相同重量的氢是汽油燃值的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍，单位质量的燃值经济性非常好，而且它燃烧之后释放的是水，这是它巨大的优势。也因此全世界也都在共同推进氢能的发展。我们可以看，几乎所有国家都把2030年作为一个阶段性的目标，因此在这个时间点上我们国家也制订了相应的政策，

从国家明确出台政策之后，我们国内首先是央企旗帜鲜明的站出来要发展氢能产业，类似中石油、中石化这样的大型国企纷纷站出来。但是遗憾的是，中石油、中石化恰恰是灰氢的主产企业。我们国家2022年氢气的总产量大约3500万吨，其中3400多万吨都是灰氢，基本上都集中在中石油、中石化这样的大型企业里面。

从现在对氢的用途来看，是纷纷出现的小企业以及应用研发技术层出不穷的源泉。大家更多的关注它的用途。因为从产量上讲，不论是灰氢、绿氢还是蓝氢，它有体量放在那里，现在是三千多万吨，大约在2035年左右要达到5亿吨的数量，以大规模生产为主，因此应用端的需求是层出不穷的，而且是细分的。从氢的结构来看，现在电解水制氢只是很小的一个比例，而且也只是把电解水当做绿氢来看待。

技术路线，首先看右侧这个图，灰氢是多碳，蓝氢是少碳，真正的绿氢是指的零碳排放才叫绿氢。大家通常所理解的绿氢是指的电解水制氢，电解水制氢现在有三种技术路线。电解现在更多的是要用新能源的电来完成这项工作，新能源的电似乎就接近绿氢了。但是真正用新能源来产氢，有四条路径，有三条路径是电解水制氢的路径，它其实是比较复杂的，每个工艺环节都有设备的投入、有材料的选择、有原材料的消耗等等，工艺路径越长，它的设备投资、造价都会越高，因此它和零碳排放的距离其实就越远。光解水制氢的技术路线的核心问题不在路线上，而在靠什么来光解，催化剂才是它的核心技术。这条技术路径是最短的，因此它在碳排放上未来一定是最低的，只有通过光解的技术路线未来才能真正实现绿氢。实现绿氢不代表在短期内绿氢就能占主导地位，毕竟产量还是很重要的问题。

真正的光解水制氢从技术路线上讲很明确的，最简单也是最便宜的水分解方法。但是越简单的事情实现起来越困难，所以它明确的强调了水分解过程效率很低，需要额外的能量来分离氢和氧气，光稳定的状态是一个限定的环境，如何实现具有挑战性，这是现在我们对光解水制氢技术路线的认识，它的难度其实是巨大的。

从国内外的情况来看，现在的绿氢，电解水制氢只有4%，产量依然很低，竞争力也严重不足。但是越是在这种大氛围下，才越有科技创新的动力和发展前景。

重点的是在工业界要考察它的成本，对用户来说并不关心究竟排碳对用户的影响是多大，而是关心它的成本。现在我们说用光解水来制氢，现在预测的成本基本上是人民币8到10块钱/公斤。如果用电解水的方式来完成，现在的成本根据电价的不同大约是16到40块钱/公斤。给大家介绍一个数据，用电解水制氢本身它的能效是很低的，正常情况下电解水的工艺，先不管电价，55度电产一公斤氢气，然后这一公斤氢气你燃烧之后让它放热制电，只能制18度电，电解水制氢真正的能效其实只有30%，55度对18度这样一个比例。

因此我们集中在如何来解决光解水制氢核心的技术，就是催化剂这个材料。我们的团队也提出了这样一个目标，用最短路径把太阳能转换成电能，并可以同时高效光解水制氢。

首先要在新材料上有所突破。在这里给大家推荐一个研究发现，今年的3月8号，全球顶级的杂志Nature上发表了一篇中国西湖大学的论文，3月10号在国内翻译成中文之后进行了转载和述评。这篇西湖大学的论文介绍的一个情况，他们的研究团队采用激光束激发的方式，对很多种半导体材料以及金属材料进行了激发，去测试这些半导体材料的光电转换性能，得出了截至目前他们所使用的所有半导体材料只有一种材料在激光激发之后表面出现了“光阴极”。不知道各位是否理解什么是“光阴极”。我们目前的导电材料之所以能导电，是因为金属材料里面有自由流动的电子，所以金属材料我们更多的把里面的电子它的存在状态描述为电子云的形式。这个光阴极和我们在导电金属材料里面所描述的电子云基本上是一类现象，只不过这是半导体材料，而且是目前全球首次发现在半导体材料可以出现“光阴极”，也就证明这个材料具备非常好的激发电子的能力，就是用光来激发电子的能力。这个材料就是钛酸锶，在西湖大学的试验当中用的是六面体材料。

今年4月份西湖大学的现任校长施一公院士，在广东做西湖大学成立之后的宣传推荐的一次大会上，介绍西湖大学成立以来重要的科研进展，排在第一的就是这件事情。而且他明确的说这是西湖大学目前对科学界最重要的一项贡献。我之所以把它用到这里，是想佐证一下，在十几年前我们已经预测到了这件事情，只不过他们是做物理的，我们是做化学的。所以我们在十几年前就已经开始在做这个工作。

钛酸锶现在市场上只有一种材料，是六面体材料，之前一直用在电子行业，压电、介电，它的化学稳定性也非常好。我们的研究从2012年5月份开始，首先对六面体材料的合成进行了全方位研究，因为我们是做化工材料制备的。在整个研究过程中已经完全可控的实现规则六面体的制备，我们材料的均匀性非常好，右边是产品的显微照片，规则性非常好。现在我们已经拓展到了很多的多面体。2017到2019年，日本东京大学的一些教授就用这个六面体材料，对他的光电转换性能进行了研究和测试，当时日本的研究结果是这样的，在紫外光的区域，比如说350纳米、360纳米、365纳米光的区域，光电转换效率高达96%左右，非常之高。如果有一万个光子，当然是指的这个纳米波段的光子，撞击到六面体钛酸锶表面，就会有9570或者9600个光子转化成电子，激发出来了的电子，这是日本在前几年公布的研究结果。

而事实上，我们从化工材料合成的角度，更多的关注到另外一个问题，仅有紫外光是不能代表我们对太阳能的利用的。另外，材料本身其实是多种形态和多种结构的，因此我们在随后的研究当中，陆续的制备出来了很多种不同材料。刚才的六面体材料六个面分别用晶体的定义来看叫100面，我们合成出来了包括110面的十八面体和包括111面的二十六面体的钛酸锶材料，而且我们还合成出来了这两种多面体材料的中空结构的材料，这样就使得这个材料能够更好激发光电转换能力的晶面更多的暴露。比如说中空材料，由于中空，所以它的面甚至可以达到四十面以上，这样的材料最终我们把它拓展成了现在的格局，从最早的六面体一直拓展到了各种钛酸锶的复合材料，这个过程中我们拓展了响应的光域范围，目前可以做到从200纳米到800纳米光的利用。光催化性能得到了大幅提升。

这是我们的研究和检测结果，简单给大家介绍一下。比如十八面体，我们做了各种检测和试验测试，它的效率是非常高的。

还比如说，我们在光电转化和光催化上面重点要利用的是二十六面体，二十六面体很重要的就能够实现我们说的光电转换的高效率。对于中空的二十六面体材料来说，它的光电转换能力就更强。为什么叫更强呢?我们的光激发到某一个晶面上的时候，它可以穿透，也可以反射，如果说激发出来了90%几，事实上它穿透进入晶体之后激发了里面的电子，反射就没有起到太大的作用。但是如果是中空结构的材料，光进去之后会产生回旋，在纳米尺度的材料空间，光在里面自己产生折射、反射、回旋，那么光的利用率就会大幅度提高，因此和我们常规的对光伏理解的概念完全不同。很多我们的学者包括企业家们经常跟我们探讨，你们光是穿透了多少，事实上我们根本就不是一个概念，我们让光在里面，期望它永久的停留下来。待会会介绍我们现在成套的技术里面，未来的目标是实现黑洞，就是我们的光反应最终实现黑洞，这当然是极高的研究目标，也是一个极限的指标。

最重要把光电转换出现的电子把它迁移出去，让它变成电流，或者是变成电解水制氢的电子，所以还要把它再引导出来，我们因此又制备了各类的光电转换的复合材料，最后完成了这项工作。

绕到我们今天的主题，我们今天其实是在说氢，而我们这项技术其实是电和氢同时在做。至于说光解水制氢这个问题，最早是1967年日本的藤岛昭教授发现了这个现象，之后很多的催化剂用于光解水技术，只不过一直没有很重要的突破。

我们获得的突破是什么呢?首先是关键材料的突破。从六面体一直拓展到二十六面体以及其中空材料。我们这些面究竟有什么差别呢?可以看下面的图，有四个柱，第一个黑色的柱上面写的11.1%，是我们采购市场上正在销售的六面体钛酸锶的商用产品进行测试，它的光电转换效率只有11%。我们的实验室非常精准调控的六面体材料它的光电转换效率理论值是13.7%，是同一个数量级，因此很少有人认为钛酸锶可以用于光伏，就是因为它只有百分之十几，和多晶硅29.4%还差的老远，所以没有人认为。

第三个柱，二十六面体也好还是十八面体也好我们出现了一个110晶面，这个晶面的光电转换效率可以达到36.8%，这个数据就很可观了。

图片上特定标了一个111，111晶面的光电转换效率可以高达46.9%，正是因为这样的数据采使得这个材料的光电转换能力远远超过了现在所有的催化材料。西湖大学用激光去激发的这个半导体材料是最左端的六面体钛酸锶，他们的论文出了之后我还特地去了西湖大学找到这个团队的负责人何瑞华教授，了解清楚了他的确是用的这个东西，因为他从来也不知道还有我们一研发出来的多面体材料。

就用这样的材料，我们来做几个对比。假设按照垂直方向，法相太阳光照射到地球之后，我们把它照射到地面的能量看成百分之百，我们所设计的系统做了几件事情，第一步是进行反射，把太阳光反射进来，反射用反光镜，类似我们常规的镜子，因为它价格也很便宜，我们经过两次反射，一次反射效率大约97、98%，两次反射效率乘下来大约92%左右，我们折算了一下取了个低值，91%。然后再进入我们的光反应器，我们的光反应器的吸收率我们目前把它设定在60%，我们未来的目标是黑洞，也就是这个60%未来的目标逼近100%，是指的60%那个地方的柱逼近100%。

第三个，进到光反应器之后，光电转换效率目前我们按照90%来测算，不是大家理解的光电转换，因为我们要把它在里面反复的进行回旋，所以要达到90%的光电转换效率，这样测算下来光电转换率就49%，最后在输出端还有一个工效问题，按92%来测算，最终按照现在设定的指标，光电效率45%。

我们整个系统的设计从理念上有一些独特性，比如材料、比如我们采取了高倍聚光这样的一些技术，使我们最终的效率大幅度提高。第三是在研发技术上有一些突出的优势，现在我们整个系统在多面体钛酸锶进行高倍聚光，实现聚光下的光伏发电，以及同时实现光解水制氢这样的一体化成套技术。

这些工作我们在中国科学院的实验室里面几年前就已经陆续完成。我们通常认为太阳光照到地面上就是太阳光，事实上当你把太阳光的倍数进行增强之后，会有意向不到的奇迹出现。我们正在建的示范线目标是2000倍的聚光。右边这个图就是我们现在正在建的示范线的模拟图，左边的图就是我们在实验室通过20倍的聚光，在产氢的过程中。当时参观者很奇怪，说里面是不是已经出现高温，因为它里面气泡像开锅了一样，把手伸上去的时候发现温度只有三四十度，事实上它是在光解水制氢。

这些技术优势给大家介绍完了以后，最后再简单说一下。我们这项技术已经持续十多年了，现在有大批的专利在做保护，而且我们已经把中国科学院相关的八个专利打包，由一家公司统一购买，接下来要做知识产权的运营，他们第一笔融资两千万元已经完成，知识产权的采购，第二笔融资一千五百万元现在正在建第一条线，接下来很重要的是我们把我们这个材料要在各个行业进行推广。比如十八面体的我们就跟北京的一个上市公司，让它独家买断十八面体的使用，跟它成立了联合实验室。我们现在说的二十六面体就是用于光伏聚光发电和光解水制氢。在这个基础上我们已经有各种设计方案，比如最小型的1兆瓦的用于野外移动橇装式的应用场景，固定式的以10兆瓦、50兆瓦等等这样的模块化的生产装备来进行生产。我们现在研发的事实上是成套装备，未来不管落在哪个地方，现在我们在国内想选五个左右的城市做产业基地，是装备制造基地，未来每个基地目前设计能力按照2GW装备制造能力来设计。

我们的研究团队都是中国科学院的研究人员，之所以这样做，是因为我们并不去做装备制造线的管理和生产，我们只做知识产权运营。我们要把擅长做装备、做销售、做市场拓展的公司成为我们的合作伙伴，这些公司跟我们合作，我们通过知识产权运营完成我们这个技术在全国以及国际上的推广。

最后，这些年经常会用到一个词叫“卡脖子”，因为中国科学院有这样一个使命和责任，我们其实更多的希望不卡脖子，同时能够输出中国的高精技术。我们现在这项技术就属于这样一个高精技术，从材料制备、技术路线以及成套装备的研制，完全自主知识产权，而且完全是我们中国人自己的专利。事实上国内的光伏统统是学的国外的技术，未来我们希望能够让我们中国在光伏领域的技术从原来的模仿、跟踪到自主创新和引领，能够推动我们中国的技术的发展。

我们的技术全称叫全光域响应多面体钛酸锶光伏发电光解水制氢一体化的技术，感谢各位。