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中科院过程工程研究所段东平研究员做了主题为《多面体钛酸锶光量子发电与光解水制氢一体化成套技术》的报告。
以下内容根据论坛演讲实录进行整理。
段东平：感谢主持人，也感谢大会组委会邀请我来参加会议，跟大家分享一下我的工作。
我的工作题目很清晰，有三行字，先做一点点解释。
一、研发出来了一种目前是全球首创的材料，多面体钛酸锶，当然重点用的是26面体钛酸锶，以及中空结构的26面体钛酸锶，这个材料目前在制备完成两年多的时间里面，已经把专利和应用场景进行了细分，截至目前还没有在全球看到有人制备出来，包括钛酸锶，包括其他材料的多面体材料。
二、技术由于多面体的精炼，能够非常高效的吸收和转换光电子，因此在技术路线设计当中，一方面用它来发电，同时放在水里面实现了光解水制氢，一套技术当中采用一套装置完成两项工作，所以我们把它叫做一体化的成套技术。
事实上这里面还集成另外一个技术，在报告里面提到，采用了聚光的方式实现大规模工业化应用的瓶颈。
我今天的内容重点从三个方面看一下技术的开发情况，首先重点是开辟出来了新能源材料，就从现在全球的情况来看，新能源材料定义的已经很清晰，在各种场合下，比如随便选几个去搜，新能源材料的界定很清晰，一般指的锂、硅等等材料，很少有其他的元素能充当新能源材料。另外有一个很重要的概念，我们真的可以认真分析一下，截至目前全球新能源技术的发展，目前似乎第一中国人还没有开发出来属于我们自己独有知识产的新能源材料。
二、整个体系当中无论是标准还是技术源泉，似乎都是来源于西方的国家。说到的钛酸锶很巧，今年的3月8日Nature发表了一篇文章，他们正好佐证了我们现在使用材料的独特性，他时候的文章有一张图片，就是大家看到的右侧照片，他们用激光去轰击现有的很多半导体材料，当然包括了硅，包括了二氧化碳，包括了其他的氮化硅等等很多材料，也包括现在市场上可以买到的六面体钛酸锶材料。
在轰击了这些半导体材料之后，西湖大学发现目前仅有一种材料具备由激光轰击之后表面出现了光阴极现象，这个材料就是他们所使用的六面体钛酸锶。光阴极实际上在物理学上很容易理解的概念，材料的表面可以由大量的电子聚集，电子可以自由流动，现象更像是金属材料当中的电子云，实际上这个地方用了一个在半导体行业的词，叫光阴极，只是证明材料的独特性，是今年3月8日被西湖大学佐证了一下。
再来看另外一个变形的元素周期表，在2019年，欧洲化学会和英国皇家化学会联合发布了元素周期表，列了90种元素，按照未来一百年对人类将会产生影响，甚至最严重的到了威胁生存或者生活的紧张程度的元素，进行了分类，这上面包括好几种颜色，比如绿色的，就是未来没有危机的，黄色的大约会逐渐稀少，偏橙黄色的未来资源量肯定会逐渐的减少，最严重的就是图片上偏棕红色的颜色。
棕红色的颜色里面有12个元素，其中有一个是氦，气体元素，还有剩下的基本都是金属元素。在这些元素当中，最左边的可以看到是一个锶，锶事实上很少有人了解，甚至中国人都很少知道锶是什么样的元素，我们正好今天在重庆开会，我在4年前的11月2日在重庆做了一个报告，我们要做的事情是打造世界“锶都”，重庆当仁不让，说的重庆人莫名其妙，资源开发以及宣传还是没有到位。
锶对于欧洲来说，或者对于很多西方国家来说，他们的发展战略当中非常重要，但是它的资源非常紧张，而锶资源在现在全球已经探明的1.42亿吨的储量当中，中国占了8200万吨，占总量的57.6%，当然重庆的量更大，重庆是现在全球最大的锶资源储地，现在探明储量3807万吨，占全世界的26.7%，因此在大背景下就提出了接下来要说的技术路线，我们有非常大的优势，中国的资源优势加上技术的卡脖子优势，可以完成这一项技术。
钛酸锶原本早就存在，原来六面体钛酸锶一直作为压电材料、介电材料在使用，事实上在市场上可以买到常规产品。但是我们经过十余年的研究，把材料性能进行了深度的拓展和挖掘，现在已经成功的在实验室以及放大规模的设备商制备出来批量的二十六面体材料和中空材料，材料从外观上图片很清晰，性能上有很多与现在的半导体材料以及其他的新能源材料有巨大差别的特征，一方面就是光电转换效率，在下面从左往右数第二个柱状图可以看，四个柱分别是市场上常规的钛酸锶产品的光电转换效率，测试的结果是11.1%。
第二个红柱是实验室自己制备的形貌非常规则的六面体钛酸锶，就是左上角图片的材料，共建转换效率测试结果是13.7%，当然前两个是一个数量级，因为规则不规则，形貌是不是统一，影响了一些光电转换性能。
第三个绿色的柱，是十八面体钛酸锶，光电转换效率高达36.8%。
第四个是二十六面体钛酸锶，光电转换效率高达46.9%。
原因就是晶面严重的拓展了光电转换效能，从材料未来应用上讲，我觉得基础性质是一定要搞清楚的，在右下角我们也特地列了四句话。
一、稳定性特别好，熔点高达2060度。
二、由于多晶面可以激发出更多的有效光电子，这是我们在新能源领域非常需要的现象。
三、事实上现有的新能源技术非常害怕紫外线，而现在的材料可以覆盖从200纳米到800纳米的区间，紫外光更好的转换成为光电子。
四、由于采用的聚光技术，因此我们认为现在的技术实际上是一个已经超越了三维空间结构的四维技术架构，形成这样一条技术。
具体的从研究上讲有几个图片，大家简单过一下，比如如何从晶面调控，实现不同晶面的钛酸锶合成，这是我们做的工作，再通过一些表征、检测得到准确的参数，获得全球认可的材料相关数据。
另外，分别要对多面体材料进行光电子利用效率的测定，我们同样也做了相应的一系列工作。
比如二十六面体材料，在去年德国材料学会的顶级期刊small上发表了一篇文章，被他们选为了封面，同时也充分肯定了全球首次制备出来二十六面体纳米晶体的技术。最近也一直在深入的研究晶面调控的机理以及调控方法，这个工作也在今年10月份在美国化学会刊GMCA上又获得了封面的刊登，当然有很好的数据呈现给了全球。
从过去十年当中，在各方面做的一系列研究，重点解决了光电转换当中的机理问题，我在这里列了四条。
一、提高了钛酸锶光载流子的转换与迁移效率。
二、提出了新的钛酸锶光载流子的激发态模型。
三、揭示了钛酸锶晶面的解体合成机理和调控机制。
四、揭示了钛酸锶中超低激子结合能的亚稳态激子对的存在以及各项异性的分布特征，这些其实是机理性的研究。
但是机理性的研究和材料的制备最终必须拿到用途，或者引发出来新的成套技术，才能够获得新的认可。
我们的用途其实就集中在大家现在更关注的新能源领域，包括太阳能、氢能等等，带这个基础的研发过程中有这样一个体会，就是下面这句话，我认为人类利用自然能最理想方式，就是用最短路径把太阳能转换成电能，并且可以同时高效的光解水制氢，目前所看到的所有技术里面，我认为这个可能是难度最大的，或者说将来解决起来大概是终极的技术路线。
和新能源的对比，通常会拿晶硅光伏板，甚至最近这两年热起来的钙钛矿材料，钙钛矿电池材料去进行对比，这是现有的晶硅技术制作的简单简图，在这里做个背景。制氢其实也一样，全球很多制氢的技术路线，现在通常被认为滤氢制备技术的路线当中，左边的图里面可以看到其实有四个路线，图里面最左边的线就是光解水制氢的技术路线，从技术路线上看，最简单的制氢路线就是光解水制氢，但是往往最简单的时候，技术路线或者技术难度是最高的，所以我们的工作就是接下来解决的事情。
怎么解决?做一个对比，我在这里列了三行的图片，是从原矿开始一直到产品做一个相对应生产环节的对比，比如第一行就是晶硅电池技术全流程的分布图，它有它的特点，当然现在在全球推广开来，有它的优势，简单可以看一下。
第二行就是钙钛矿电池领域的人在参考晶硅电池的技术路线，在模仿相应的电池所开展的工作，上下第一行、第二行的区别其实都是用的矿产资源，只不过在进行材料的合成和制备的时候，晶硅是用的高能耗的电炉进行了冶炼，钙钛矿的材料是用了低能耗的化工反应器进行了化学的合成，后面同样都是用单倍光照射板状的或者是模状的材料实现光电转化，同样钛酸锶也是一种化工合成的材料，当然可以把它列为是典型的钙钛矿材料，但是我们的研究后来就做了新思想拓展。
我们最熟悉的就是化工，最要开展的就是化学反应，因此把我们的材料并没有放进摩尔里面，也没有放到晶硅板子上面去，而是把它放在了化工反应器里，用阳光作为光电转换的原料，来实现最终的光电转换基础，所以最下面这行是现在对技术的思路是这样来做的，技术路线其实在打通之后，现在的材料已经委托合作，跟北京的上市公司全部买断了，已经拿走了，现在把二十六面体在发电和制氢上应用，我们做的技术其实类比的叫投资方，经常类比的就是晶硅等等，我们的技术集成之后，大家在右下角可以看到图片，现在正在郑州建设两千倍聚光的示范县。
未来在整个技术当中要实现的是综合光电转换效率45%，每克钛酸锶光解水制氢速率每小时6个毫摩尔，通常全球的数据是6摩尔，我们大概是他们的一千倍到一百倍左右。单倍光STH值是1.15%，当然成本在这里也有，发电大约测算的是0.1到0.15，制氢大约是每千克8到12元，具体的技术路线从这里可以简单的看一下，左上角就是核心技术、材料，把它要装在光反应器里，最后把水和聚光之后的太阳光当成是反应原料，最后进到整体的技术里面，在设置里面完成这样的工作。
现在这项技术，因为已经开发到后期了，最近大约已经申请了20多项专利，其中有5项已经授权，还有几项现在正在审批当中。根据给中国科学院报的相关考核指标，综合光电的效率要45，投资大约每千瓦4到6块钱，度电成本是0.1到0.15，占地大概每千瓦是3到4平米，占地是晶硅的三分之一到四分之一。
整个系统后面有一个合作方，因为氢气我们只负责制，制之后储和运由兄弟单位 他们的成熟技术解决后续的储和运工作。现在看这项技术未来应用的领域应该比较广，很可能最先推进的是北方地区热电厂的整体改造，这是大的板块，再一个是纯粹的制氢和发电。另外今天上午还有投资方在跟我对接，他们非常愿意做撬装式的任务是野外、野战等等没有任何能源条件的地区实现这样的工作。
最后再从整个的模式上，因为现在这项技术和现有的新能源技术有很大的差别，因此在技术架构上和合作模式上都和现在的新能源技术有很大的区别，我们认为技术里面最核心的关键材料，甚至是可以类比成英特尔的芯片是在中国人自己手里，因此整个架构并不是一个拿来的事情，而是自己开创推广的事情，所以模式是不同的。
首先突破了关键材料，这是最核心的问题。其次在整个体系当中，真正做到的是从太阳光照射到地球光的强度来算，到最后达到45以上的光电转换效率，这个和现在的新能源数据、差距是巨大的，而且数据下一步的目标是60%。
在整个技术里面，实际上原有物理的光电转换以及化学、化工的光反应器的技术，化学物理结合在一起的一套技术，这是全球没有结合的思路。还有在技术方面利用我们的优势，因为现在已经从材料拓展到了紫外和可见光的全光域进行光电转换，在这些技术当中，之所以现在信息很足，包括三年前还在开如何打造世界锶都的会，原因就是因为中国的锶资源占全球的57%，因此我们完全有理由和有信心把这样一项技术开发成中国独有，而且能够向世界去推广和宣传的新能源技术。
未来如果放在西部地区应该是这样的场景，大量的反光镜，由于效率非常高，反光镜的光高倍聚焦聚在了光反应器里，光反应器未来的目标是黑洞，来的光尽可能留在里面，完成它的光电转换，未来整体的光电转换效率目标是60%以上。另外这项技术在开发过程中注意到的优势，现在还很少有一项技术是能够自己具备储能和转换的功能，都是需要外配套的，我们这项技术是自备储能、自备转换的技术，所以我们叫制氢和发电可以互相切换，互为储能，在整个的系统当中，光反应器是核心，光反应器更像重庆的火锅，在同一套装置上可以同时完成两件事，这也是现在全球没有在一套装置上实现两件事的技术。
最后可以分享两组数据，一个是现在全国正在对接和建设几个装备制造基地，按照未来成套装备的发电能力，比方说10兆瓦、50兆瓦、100兆瓦等等，每个基地按照2个GW的年制造能力来看，固定资产投资大约2个亿，土地还有1个亿，占地大约有一百到两百亩够了，剩下就是毛利率，应该是比较高了，大约50%左右，投资回收期也很短，大约两年左右。
单独看到一套设备的时候，比如10兆瓦和50兆瓦，可以对应看到相应的参数，比如发电量是可以测算出来的，度电的成本同样也能测算出来，另外同时还能产生氢气，制氢现在也是国内很热或者急需的一项技术，只不过我们是光解水制氢，而不是电解水制氢。
时间问题，就把技术向大家分享到这里，感谢大会。
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