利用可再生能源合成化学品原因

氢能是一种完全清洁的新能源和可再生能源。它是利用化石燃料、核能和可再生能源等来生产氢气，氢气可直接用作燃料，也可通过燃料电池通过电化学反应直接转换成电能，用于发电及交通运输等，还可用作各种能源的中间载体。

氢作为燃料用于交通运输、热能和动力生产中时，具有高效率、高效益的特点，而且氢反应的产物是水和热，是真正意义上的清洁能源和可持续能源，这对能源可持续性利用、环境保护、降低空气污染与大气温室效应方面将产生革命性的影响。

全球气候变化及其造成的严重后果已成为新闻中普遍关注的话题。极端天气似乎在整个地球上越来越普遍。人造二氧化碳（一种温室气体）的排放与气候变化有关，因为二氧化碳的含量一直在稳定地增长。为了应对这种变化，许多科学家和工程师进行了研究，以寻找从大气中隔离二氧化碳的方法，或者从源头捕获二氧化碳，以避免必须从空气中浓缩二氧化碳。

同时，CO2被认为是一种廉价的C1碳源，研究其理化性质使其能够直接在化学生产中使用并转化为更高价值产物对碳循环和节能具有重要意义。鉴于此，美国化学会杂志Journal of the American Chemical Society以3月份特刊的形式，重点关注了碳捕捉和转化技术，并预测在很长一段时间内CO2高效利用将成为研究重点。

文章链接： https://pubs.acs.org/page/virtual-collections.html?journal=jacsat&ref=vi_journalhome.

本文重点关注自2019年初以来的几份近期报告，其中包括碳捕集与封存（CCS）技术。例如，热和化学健稳定的金属有机骨架（MOF）的合成，其中氨基共价连接到MOF的内部，从而对CO2可逆结合表现出高选择性，对N2或H2O具有良好的吸附选择性。同时将CO2转化为高附加值的化学原料也是研究者的目标。由于CO2是碳的完全氧化形式，C为最高正四价，因此通常必须提供能量以将碳转化为还原度更高的形式。其中，光/电/热可以提供这种能量，相应的载体包括微生物、自范式器件、半导体材料、分子有机物等，他们以催化的方式克服反应能垒并具有不同的效率、选择性及反应产物。

【CO2利用集锦】

1.Nature： 机器学习寻找CO2吸附的MOF基材料 ”Data-drivendesignof metal–organic frameworks for wet flue gas CO2 capture”.

碳的捕获与封存是缓解CO2排放的可行技术之一，同时也是将CO2转化为高附加值化学品是实现碳循环的关键环节。金属有机框架（MOF）由无机金属中心（金属离子或金属簇）与桥连的有机配体通过自组装相互连接，形成的一类具有周期性网络结构的晶态多孔材料。其中有机配体与金属离子节点的巧妙组合理论上可以产生无数种结构和化学上不同的纳米多孔MOF。但是，当使用含有水的气体时，MOF对于CO2与N2的分离却效果不佳，因为水与CO2存在相同的吸附位点，从而导致材料失去选择性。而干燥排放的气体，将会对捕获过程增加高额的成本。

瑞士洛桑联邦理工学院的BerendSmit、俄勒冈州立大学的Kyriakos C. Stylianou、英国赫瑞瓦特大学的Susana Garcia和加州大学伯克利分校的Tom K. Woo通过对超过30万个MOF材料的理论计算，筛选出不同类别的具有强CO2结合位点（称之为“吸附型”）的MOF材料，这些位点使MOF具有在湿气体中对CO2/N2保持高选择性。同时，研究者根据理论计算的结果，合成了两种具有强疏水性吸附基团的MOF，发现它们的CO2捕获性能不受水的影响，并且性能优于某些沸石和活性炭等商业材料。

2.Nature Energy： 原子层二维半导体光催化CO2还原 “SelectiveVisible-light driven Photocatalytic CO2 Reduction to CH4 Mediated byAtomically-thin CuIn5S8 Layer”.

中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心孙永福教授、谢毅教授课题组从CO2还原的反应热力学和动力学角度出发，设计构建了一种S空位的双金属位点型超薄纳米片以期实现精准调控CO2还原产物的选择性。以制备的缺陷态CuIn5S8超薄纳米片为例，理论模拟和原位红外光谱测试结果均证实低配位的Cu和In位点能够与二氧化碳分子作用生成高稳定的Cu-C-O-In中间体，而该中间体在同时断裂Cu-C键和C-O键形成自由态的CO分子时则需要克服很高的反应能垒；相比较而言，在该中间体的C原子上加氢形成CHO中间体的反应则是放热反应、能够自发进行，从而使其更倾向于获得接近100%的甲烷选择性。

光催化测试结果证实，含硫缺陷的CuIn5S8超薄纳米片在可见光驱动下将CO2还原为CH4的选择性达到近100%，平均产率为8.7μmol g-1 h-1。该工作通过构建双金属位点CuIn5S8超薄纳米片，改变了关键反应中间体的构型，调节了反应势垒，进而改变了反应路径，最终使得还原产物由CO变为CH4，这为设计高选择性和高活性的二氧化碳光还原催化剂体系提供了新的思路。

3.Nature Energy： 固态电解质助力CO2还原选择性生产纯液体燃料 ”Continuous production ofpure liquid fuel solutions via electrocatalytic CO2 reduction usingsolid-electrolyte devices”.

电催化CO2还原生产有价值的液态燃料，是实现碳中性能量循环的潜在策略。但是，这些液态产物通常在传统H型或流动池反应器中，易于电解质中的溶质混合，因此需要额外的分离和浓缩过程以便在实际应用中进行回收利用。尽管已经研究出具有高选择性（>90％）和高活性的CO2还原催化剂，但在大多数情况下，由于中性或碱性电解质环境，从而导致形成的产物是甲酸盐或浓度很低。因此对于电催化CO2还原的实际应用，直接连续地生产纯液态燃料，特别是具有高产物浓度和长期操作稳定性的纯液态燃料至关重要。

美国莱斯大学汪淏田教授课题组使用固态电解质电池装置将CO2电还原连续转化为纯净单一组分的液态燃料，其中电化学产生的阳离子和阴离子结合形成纯产物且不和其它离子发生混合。当使用Bi催化剂时，在阴极可获得高选择性的HCOOH（法拉第效率>90％），作者成功生产出了浓度高达12 M的纯HCOOH溶液。此外，该催化剂可以连续100 h稳定生成0.1 M HCOOH，在此过程中几乎没有选择性和活性的衰减。

4.Science： 分子催化剂助力流动池CO2电还原”Molecular electrocatalysts canmediate fast, selective CO2 reduction in a flow cell”.

研发兼具高活性和高稳定性的CO2还原电催化剂是研究人员孜孜不倦追求的目标。基于异相催化的固体电催化剂能在高达150mA/cm2的电流密度下进行CO2还原，但如何在如此高的电流密度下保持高的稳定性和能量转化效率仍是一个世界性难题。基于均相催化的分子电催化剂则能在CO2还原反应中达到更高的选择性，并能从分子设计的角度设法降低CO2还原反应的过电位。但其电流密度过低，难以达到商业应用的要求。

加拿大不列颠哥伦比亚大学的Curtis P. Berlinguette和法国巴黎大学的Marc Robert（共同通讯作者）等以商业酞菁钴（CoPc）作为电催化剂，采用流动相电催化CO2还原反应，CoPc分子催化剂在液流电池中也表现出更高的电化学稳定性，在50 mA/cm2的高电流密度下能持续工作100 h以上。当液流电池的电流密度为150 mA/cm2时，CoPc催化CO2还原为CO的选择性高于95%。

5.Science： 固液气三相界面超高电流密度CO2电还原C2H4 ” CO2 electrolysis to multicarbonproducts at activities greater than 1 Acm−2”.

利用可再生能源来驱动气体的电化学固定，将其转化为具有附加值的产品，这是将CO2和CO转化为碳氢化合物燃料和化学原料的一个有吸引力的途径。然而普遍的在碱性水测试环境中由于传质的原因，限制了水相电池中催化剂的生产能力，其电流密度被限制在每平方厘米几十毫安的范围是制约高效电还原CO2的难题。

加拿大多伦多大学的Edward H. Sargent等研究人员提出了一种混合催化剂设计，通过构建有效固-液-气三相界面解耦气体、离子和电子的传输，使CO2和CO在>1 A cm−2区域的电流密度下能够有效地进行气相电解以生成高附加值化工品乙烯。在7 M KOH电解液中，获得从0.2到1.5A cm-2电流密度, H2的生成率保持在10%以下。在最高电流操作条件下，优化后的催化剂对乙烯的最大产率为65~75%，在阴极能效率为46.3%的情况下，其峰值偏电流密度也能达到1.34 A cm-2，为工业化CO2还原奠定了道路。

供稿人：Matche Lee

在新能源发电中，风能、太阳能发电具有间歇性、不稳定性的特点。储能设备可与新能源进行配套，跟踪计划出力，减少弃风弃光对发电企业影响；优化新能源电站出力，平抑波动；解决微电网系统可靠供电保证问题。通过储能系统快速充放电能力，可以快速响应电网系统对新能源系统出力的要求，在新能源限发时储能系统进行充电，解除限发后储能系统放电，减少弃风弃光对发电企业影响。通过储能系统快速充放电，实现大功率动态调节，减少外部条件对新能源发电系统影响，实现新能源电力可控性，减少对电网冲击。光伏、风电等新能源发电单元通过与储能系统结合，可以可靠的解决偏远无电地区的供电问题。储能技术主要分为物理储能，电化学储能，电磁储能三类。电化学储能可应用于可再生能源并网，用户侧分布式以及微电网系统支撑。

他强调，新能源 汽车 要求动力电池具有高能量密度、高功率密度、高安全等特性，先进动力电池技术的创新对新能源 汽车 的发展至关重要。

肖成伟表示，“未来，刀片电池技术、CTP（Cell To Pack）和大模组技术、无钴电池技术、锂离子电池干法工艺技术是当前的几个技术创新热点。”在这场精彩纷呈的主题峰会上，来自学界和业界的专家对这些技术创新点进行了细致、深入的分享，为线上线下的观众奉上了一场动力电池新技术的思想盛宴。

2019年，全球主要国家新能源 汽车 销量超过210万辆，中国销量达到120.6万辆，占中国新车销售比例达4.68%。截至2019年底，全球新能源 汽车 累计销量突破720万辆，中国占比50%以上。

中国新能源 汽车 的市场目标是：2020年销量达到500万车辆，2025年达到3000万辆，2030年达到7500万辆，2035年达到12000一14000万辆。

新能源 汽车 蓬勃的市场发展也对动力电池提出了更高的要求，如何实现高能量密度、高功率密度和高安全性是学界和业界着力 探索 的方向。

“在国家的支持下，动力电池能量密度的指标逐年提升。高比动力电池是国家支持研究的重点方向，技术与产业化进展都很快，已经实现产业化电池的体系。”肖成伟说。

谈及动力电池技术的进展与趋势，他介绍，中国锂离子动力电池技术路线的变化趋势呈现混合动力和纯电动 汽车 领域应用并重，纯电驱动 汽车 领域应用为主，兼顾混合动力 汽车 领域。300Wh/kg高比能锂离子电池成为当前产业化热点。

“未来，需要重视能量密度、功率密度、安全、循环耐久和成本之间的平衡，智能制造和数字化工厂设计，动力电池系统的设计开发及产业化水平，标准化（单体、模块及系统）及全生命周期的测试验证（尤其是安全可靠性），新材料及新体系电池前瞻技术的研发（固态电池、锂硫、锂空气电池盒锂离子电池等）等五大方面的问题。”肖成伟说。

上海大学教授张久俊介绍，目前锂离子电池的应用广泛，主要有车用锂离子电池、锂硫电池、锂空气电池三种类型。“就锂离子电池在 汽车 领域的应用来说，目前我们强调续航里程要达到400公里，到2030年就要达到700公里。未来还需要进一步的增加能量密度、功率密度和寿命，提高安全性。”张久俊说。

中科院物理研究所研究员黄学杰就动力电池无钴正极材料的技术研究做了分享，他介绍，第一代无钴材料是锰酸锂，第二代无钴材料是碳酸铁锂，目前主要是锂、镍、钴三元电池。随着材料技术进步，大家正在不断努力降低钴的含量，目前可以做到钴占10%，今后可能降至5%，接着降至3%。

厦门大学特聘教授董全峰认为，未来 社会 能源支持系统需要可再生能源和高效电化学储能的结合。先进动力电池的发展目标是构建高比能量和高比功率的新型电化学储能系统。

“电化学储能途径一般有两种，一类是典型的氧化还原反应（传统电池），再一类是界面上的电荷的存储和释放的过程（超级电容器）。我们团队提出了一个新的模型，经过对材料的表面调控，能够实现既具有高的表面面积，表面上又具有和大量离子电化学吸附的能力，填补前两类的空白。”董全峰说。

宁德时代新能源 科技 股份有限公司研发联席总裁梁成都认为，以CTP为代表的动力电池系统高效成组技术是未来创新趋势。其优点众多，零件数量降低40%，能量密度增加10%-15%，同时，寿命延长10%，成本降低10%，产品系统也可靠安全。

比亚迪股份有限公司深圳开发中心副总监鲁志佩介绍了比亚迪在高集成刀片动力电池方面的技术创新。他提到，刀片电池可使零部件数量减少40%，VCTP增加50%，整个电池系统成本下降30%。“我们在刀片电池上投入了大量的研发，期望实现更高的集成效率、更高能量密度，让刀片电池具有更大的竞争力。2025年预期可以达到73%的集成效率，体积能量密度达到300Wh/kg。”他说。

因为直接用可再生能源发电导致电网的调峰压力非常大，巨大。弃风弃光弃水问题很严重。储能是提高电网调节能力的最佳手段之一。目前应用最多的是抽水蓄能，其次也有储热、电化学电池、压缩空气的各种技术路线。

本质上电制氢也是储能的一种。在电网下调峰能力不足的时候（即出现弃电的时候），将弃电部分用来制氢，或者在夜间负荷低的时候，用低价电制氢，在需要的时候，不管是发电还是直接燃烧，取用储存的能量。

用氢作为能源发电，两步过程中能量难免会有损失，但是其实仔细琢磨一下，还是可行的，主要是得采用廉价易得的电能来电解之制氢，像大规模的太阳能、风能都是很好的清洁能源。

提高电解制氢的效率后，能量从太阳能转移到氢能源里。由于氢气能量密度大，移动性好，不受天气影响，所以用氢气作为汽车的驱动能源还是很不错的选择，清洁环保。这其中最主要的还是得提高制氢的效率和氢转化为电和动力的效率。

可再生能源制氢的用处

可再生能源制氢有它的优势，采用了可再生能源，以风光水等等可再生能源为载体，以氢气作为一个二次能源的载体，在能源转型中可以和电力互为补充，以实现工业、建筑、电力、交通运输等产业互联。

目前广泛使用的氢源主来自化石燃料、电解水和化工副产氢。此外，生物质制氢、核能制氢和光催化制氢正在研究，还没达到工业化应用的水平。可再生能源制氢只能选择电解水制氢，化石燃料制氢和化工副产氢都是有碳排放的。

储能涉及领域非常广泛，根据储能过程涉及的能的形式，可将储能技术分为物理储能和化学储能。物理储能是通过物理变化将能储存起来，可分为重力储能、弹力储能、动能储能、储冷储热、超导储能和超级电容器储能等几类。其中，超导储能是唯一直接储存电流的技术。化学储能是通过化学变化将能储存于物质中，包括二次电池储能、液流电池储能、氢储能、化合物储能、金属储能等，电化学储能则是电池类储能的总称。

当可再生能源成为市场主流之后，能源保障成为新的挑战，无论是规模化后储能技术自身的安全性与能量密度，还是灾害发生后由储能配置引发次生灾害的可能性，目前已有的各项储能技术都还达不到承担超大规模能源战略储备的水平。从能量密度角度分析，未来最具可能性的超大规模储能技术方向是纯化学储能，如氢储能、甲醇储能、金属储能等。大型能源公司在开发超大规模储能技术方面具有一定资源优势，可借此承担大部分能源安全保障任务。