如何曲線救國(guó)用鐵礦石做催化劑化解制氫成本太高的尷尬？

　　盡管氫燃料的進(jìn)展相對(duì)電動(dòng)車來(lái)說(shuō)更為緩慢，但是燃料電池車的隊(duì)伍也依然在慢慢壯大著。除了市場(chǎng)上現(xiàn)有的日本本田的本田CLARITY、MIRAI之外，寶馬奧迪均有氫燃料電池概念車的推出計(jì)劃，作為對(duì)燃料電池的前沿研究，通用與本田也有合作計(jì)劃。國(guó)內(nèi)氫燃料電池車則在商用車上有所進(jìn)展，比如宇通在五月份推出了續(xù)航600公里的氫能源客車，而上周廣東也宣布開始?xì)淠茉纯蛙嚨氖痉哆\(yùn)營(yíng)。

　　與電動(dòng)車相類，氫燃料電池的推進(jìn)過(guò)程中，在成本之外，氫能源的供給是限制其發(fā)展的一個(gè)主要因素。這個(gè)供給包括幾個(gè)方面，包括制氫，氫氣運(yùn)輸以及加氫站的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等。

　　目前，工業(yè)制氫方式中應(yīng)用最多的依然是利用化石燃料或天然氣制氫。能源密集型的制造過(guò)程與居高不下的成本，副產(chǎn)物二氧化碳以及對(duì)化石燃料的依賴，依然是制約因素。所以，對(duì)于制氫方式的研究也一直沒(méi)有停下過(guò)。

　　用鐵礦石取代鎳作為催化劑

　　在現(xiàn)在常規(guī)的制氫方式中，將天然氣中的甲烷（CH4）與水進(jìn)行反應(yīng)制氫是比較常用的一種形式。在這個(gè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳，在制取完成后，需要將氫氣壓入水中溶解二氧化碳進(jìn)行提純，得到純度較高的氫氣。二氧化碳的排放本身也是個(gè)問(wèn)題。

　　而同樣是在1950年就開始的甲烷裂解的方式，通過(guò)在高溫下（750℃以上）熱裂解甲烷，可以得到組成甲烷的兩種元素：氫氣與碳，與前面提到的方式不同，在這種方式下并不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳。碳是以固態(tài)粉末狀出現(xiàn)的，也就是生成了石墨。

　　澳洲一家成立于2010年的公司，Hazer Group就是基于甲烷裂解的方式來(lái)制氫。那么他們的優(yōu)勢(shì)在哪里呢？

　　在常規(guī)的甲烷裂解制氫方式中，存在一個(gè)問(wèn)題，需要催化劑——鎳。因?yàn)榧淄榱呀庑枰诟邷叵逻M(jìn)行，催化劑的作用是可以降低裂解反應(yīng)所需要的能量，也就是可以讓反應(yīng)發(fā)生的溫度降低，另外一個(gè)作用則是可以生成更高純度的固態(tài)碳。在甲烷裂解之后，其產(chǎn)物中25%是氫氣，而75%則是石墨。石墨的價(jià)值與其純度和結(jié)晶度相關(guān)，而且現(xiàn)在石墨在鋰電池，鋼鐵和碳纖維的制作中都有應(yīng)用，本身也具有較高的工業(yè)價(jià)值。

　　作為稀有金屬，鎳的成本一直很高。而且在制取過(guò)程中，生成的石墨粉末會(huì)附著在催化劑的表面，當(dāng)累計(jì)的石墨到一定程度后，會(huì)影響裂解反應(yīng)的活性，或者導(dǎo)致反應(yīng)中止。而要重復(fù)利用催化劑，則需要對(duì)表面附著的石墨粉末進(jìn)行處理，比如通過(guò)燃燒的方式將其去除等。

　　無(wú)論是對(duì)吸附石墨的處理過(guò)程，還是石墨本身的利用率不高，都是造成此前制氫成本高的原因。

　　Hazer的方式是將鎳更換成了鐵礦石，相較而言，鐵礦石的成本就要低很多了。在接受英國(guó)衛(wèi)報(bào)采訪時(shí)，Hazer的主管Geoff Pocock表示，Hazer采用的方式，是讓天然氣經(jīng)過(guò)加熱的鐵礦石來(lái)進(jìn)行裂解。在這個(gè)過(guò)程中，生成的一部分氫氣會(huì)用于系統(tǒng)的能源供給用來(lái)加熱鐵礦石，剩余的氫氣作為產(chǎn)出。同時(shí)生成的石墨粉末可以作為副產(chǎn)品出售，來(lái)增加經(jīng)濟(jì)可行性。Hazer的目標(biāo)是讓氫氣的制取成本能夠降低到0.5-0.75美元/公斤。

　　盡管在鐵礦石的開采過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生二氧化碳的排放，不過(guò)Pocock表示，對(duì)與Hazer來(lái)說(shuō)這并不是個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樗麄兪褂梅浅ｈF礦石的量并不多。每使用1噸的鐵礦石來(lái)進(jìn)行催化，Hazer能夠制造10噸的氫氣。

　　美好的理想能成為現(xiàn)實(shí)么？

　　如果這一套路可以完美實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然是很好的，一箭多雕。氫氣與石墨二者兼得，石墨的銷售幫助降低成本，也可以讓減少大量的二氧化碳排放。但是依然存在一些問(wèn)題。

　　現(xiàn)在并非只有Hazer在對(duì)甲烷裂解反應(yīng)進(jìn)行研究。先進(jìn)可持續(xù)性研究院（IASS）德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT）的研究人員在去年11月宣布利用甲烷裂解制氫，不過(guò)期初步成本在1.9-3.3歐元/公斤，這個(gè)成本并沒(méi)有考慮副產(chǎn)品石墨的價(jià)值。當(dāng)然也提到，因?yàn)榧夹g(shù)目前并不完全成熟，因而對(duì)于成本的估算不夠準(zhǔn)確。

　　IASS與KIT的團(tuán)隊(duì)是設(shè)計(jì)了一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器，基于液態(tài)金屬技術(shù)，注入甲烷氣泡，在觸碰到液態(tài)金屬表面時(shí)，就會(huì)裂解成氫氣與石墨粉末。研究團(tuán)隊(duì)依然在對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行研究，包括如何去除附著的石墨等，如何保證反應(yīng)器連續(xù)高效運(yùn)作。

　　工藝制備技術(shù)的完善同樣是Hazer面臨的問(wèn)題。在目前Hazer的對(duì)外技術(shù)文件，以及在衛(wèi)報(bào)的采訪報(bào)道中，均未詳細(xì)透露其制備過(guò)程，因而對(duì)于這個(gè)制備過(guò)程是否存在一些技術(shù)難點(diǎn)，也無(wú)從了解。衛(wèi)報(bào)還找到了澳洲聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織CSIRO的一名化學(xué)工程師Ken Chiang博士了解鐵礦石作為催化劑的使用情況。Chiang博士對(duì)于Hazer的制取過(guò)程并沒(méi)有進(jìn)行評(píng)論，不過(guò)提到很多研究組織正在研究將鐵礦石作為新的催化劑選擇。相較于稀有金屬而言，鐵礦石低廉的成本是吸引他們進(jìn)行研究的重要因素。如果被驗(yàn)證可行，那么很多化學(xué)反應(yīng)的成本將大幅降低。

　　Hazer目前正在與與悉尼大學(xué)的可持續(xù)性技術(shù)實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行共同研發(fā)。但是，目前，Hazer的這項(xiàng)技術(shù)還沒(méi)有開始正式投產(chǎn)。根據(jù)Pocock的介紹，到2017年底，Hazer的試點(diǎn)工廠將會(huì)達(dá)到每天10-100公斤的制氫量，也就是最大的產(chǎn)量是30噸/年。但是如果要達(dá)到工業(yè)的一定規(guī)模，年產(chǎn)量則至少要超過(guò)1萬(wàn)噸才行。而如何完成從理論到實(shí)際量產(chǎn)的驗(yàn)證，將是Hazer面臨的最大考驗(yàn)。