制氢新技术能否颠覆行业？

当前，我国化石能源制氢、碱性电解水制氢技术及装备处于领跑水平，质子交换膜（PEM）电解槽和固体氧化物电解槽（SOEC）技术及装备水平处于跟跑阶段。其中可再生能源电解制氢仍然是两步法，都需要通过电解水制氢。两步法使得设备投入和运营成本大大增高，目前在理想的情况下每吨氢气的成本也在18550-26970元左右，是制约氢能技术推广的主要瓶颈之一。

等离激元光合制氢，利用太阳光能或工业废热，一步将水分解转化为氢气，大大降低了制氢成本，是真正的“绿氢”技术。这一完全自主知识产权的科技成果，具有颠覆性、前沿性、实用性和经济可靠性等优势。该技术对我国有着更加重要的现实意义，有利于解决我国的能源安全和环境安全问题，对我国的碳中和目标的实现具有战略支撑意义，使中华民族可持续发展有了“底气”。

一、等离激元效应

随着材料技术和测量手段的进步，人类对科学技术的探索正从宏观世界迈入微观世界，众多微观效应逐渐被发现和开发。等离激元效应（纳米场聚焦和所激发的热电子）是科学探索深入纳米微观世界发现的新现象，是物理学、化学、光学、材料学等研究最前沿领域，属于学科交叉融合形成的新科技。

等离激元效应理论和应用研究是科技进入微观时代最前沿的方向之一，最早开始于2004年，得益于计算机模拟技术，使等离激元的理论模拟基本完成。例如美国西北大学Enical教授的论文1，如下图：

图1：等离激元光聚焦模拟

等离激元效应的特征是纳米场聚焦和所激发的热电子。当光（或热辐射）照在纳米结构上，如果纳米结构的尺度小于光源的波长，光热辐射将自发聚焦在纳米结构尖端，类似于尖端放电，如图1中深红的区域所示。局部场强可以达到入射光场强的数百倍，如图中尺标，可达到300—600倍。这种场聚焦增强效应会激发纳米材质的自由电子变为热电子，被激发的表面增强场和热电子称为等离激元。2006年，美国学术界成立专门的学术期刊《等离激元》。2006年美国普渡大学投资1亿美元建设了面积2万平方米的布雷克纳米中心，集中研发等离激元技术和相关纳米光子学。2010年，华盛顿大学的团队发布论文2，用改进的原子力显微镜实际观测到了等离激元效应，即纳米级的光场自聚焦增强。如下图：

图2：等离激元光聚焦效应显微镜照片

图中绿色虚线是金属的纳米结构（三角形、片状），亮斑的地方就是光照在纳米结构上自聚焦的地方。其最亮处光场强被增强了100倍。该论文首次验证并确认了等离激元的光聚集效应，其后也有同类研究，反复验证了该现象。

等离激元效应被发现后，世界各国的科学家们在数个不同领域展开了技术应用突破。2008年美国普渡大学报道了实验室内利用等离激元信号增强10的10次方倍生物信号探测器，应用领域包括DNA辨别、癌症筛查。2010至2018年间，IBM研发中心和华盛顿大学4先后报道了等离激元技术和芯片结合，运算速度达到25—100GHz的光电芯片，如下图：

图3：等离激元应用－光电混合芯片100 Ghz处理速度

此外，等离激元技术在军事可见光隐形材料、高密度信息存储、信息传输等领域均有诸多研究和报道。

综上可以看出，世界科学界对于等离激元技术以及应用展开了系列的相关研究，并取得了一定创新成果。该技术使氢能逐渐取代化石能源更廉价、更环保，对中国乃至全世界的氢能发展带来巨大影响。

二、“等离激元光合制氢”

技术优势明显

“等离激元光合制氢”技术原理不同于现在的两步法电解水制氢技术。该技术原理是基于纳米级等离激元增强作用，利用金属化合物纳米催化剂的等离激元局域能量增强效应，模拟自然界光合作用，以太阳光或工业废热为主要能量，其反应推动不需要消耗电能，只经过金属纳米催化剂的催化反应即可激活水的化学键，一步分解水并生成氢气，一步实现能量的转化和利用。其他的副产物包括氧气等含氧离子。利用等离激元技术的物理化学反应，反应条件温和，使得制氢成本极大降低。这一技术完全不同于目前电解制氢技术，技术优势明显，具有颠覆性和革命性，为氢能发展开创了一条新技术路径，为人类从根本上摆脱能源环境困境带来了希望和可能。

其过程中不需要传统电能作为能量来源，也不需要高温高压，因此商业附加值和经济增效极大。等离激元绿色制氢的技术路径是一个纳米尺度的微观反应过程，在催化金属化合物纳米结构的尖端，光热辐射聚焦会激发热电子和局域强能量场，即等离激元效应，局域高能量会激活水分子中的化学键，达到水的分解；分解的氢元素和氧元素聚集在催化剂表面，由于催化剂的特性，氢元素结合成为氢气分子。2018年15中科院物理所也通过实验从原子角度解释了等离激元光催化制氢的机理。

该技术的主要优势包括：

1.一步能量转化：该技术催化反应为一步反应，不需依靠电能，太阳能（废热）直接可生产氢气，并实现光（热）能的稳定储存，大大降低制氢成本。

2.高效永久生产：该技术可在半至一小时内生成氢气，能量转换效率约为10%，产氢速率为100μmol.g-1.h-1，催化剂寿命约为20年以上。

3.反应条件温和：该技术无需酸或碱作为电解液，反应温度低于150℃，压力小于0.4MPa，在光照或热的情况下即可完成绿氢的生产。

4.原料供给无限：该技术只需要阳光或工业废热，原材料采用硬水或任何非饮用水，通过一步温和条件反应，利用等离激元催化，把这些价值低廉、接近无限的原料转化为氢气。

5.成本低无排放：该技术利用太阳能或工业废热，可直接获取，反应过程条件不高，无二次能源消耗（例如：电），远低于电解制氢成本，无其他污染物产生，综合碳排放为零。

6.易于规模复制：一步反应过程和稳定的无机催化过程，令该技术极易于模块化和大规模生产，适宜在世界很多区域推广。

该技术与其他制氢技术指标比较见表1。

表1：各种制氢技术的技术指标比较

三、“等离激元光合制氢”

经济优势明显

全产业链成本高是制约商业化发展和满足市场需求的主要因素。氢能产业链的制取环节成本高是氢能经济发展的主要瓶颈，制氢技术突破是基础，对氢能全产业链发展具有决定和带动作用。只有实现了氢气的低成本制造，氢能产业链条才能更好推广，氢能作为零碳能源才能在中国乃至全球的新能源体系中脱颖而出。

表2：主要制氢方式的成本比较

资料来源：刘坚，钟财富， 我国氢能发展现状与前景展望，中国能源，2019

根据国际能源署IEA的统计，2018年未配备CCUS(碳捕获）的天然气制氢成本约为0.9-2.1美元/kgH2（2018年1美元平均约合6.6元人民币，以下略），配备CCUS的成本约为1.5-2.9美元/kgH2，使用煤炭作为原料制氢的成本范围在1.2-2.1美元/kgH2之间，而使用可再生能源电力制氢的成本最高，且其跨度大，因不同地区可再生能源发电成本而异，约在3-7.5美元/kgH2范围内。

表3：国际能源署IEA统计的

制氢方式成本比较

通过上述表格和文字统计，目前国内外制氢技术都存在高能耗、高成本的弊端。国内制氢技术中，煤制氢成本相对较低，约10元/公斤。但煤制氢和煤发电一样都有相同的二氧化碳和污染物排放问题。可再生能源电解水制氢无二氧化碳和污染物排放，但成本较高，即使可再生能源电价降到0.3元/度，制氢成本也在30元/公斤左右（包括电费、设备及运行成本），是煤制氢的2-3倍，可再生能源制氢目前还不能支撑氢能大规模发展。

等离激元光合制氢技术为氢能领域开创了一个全新业态，该技术产业可以无限规模复制，光路径可在光照充足的荒地区域无限扩大，实现大规模制氢。热路径可利用工业废热提供能量，依托火电厂、钢铁厂、化工厂、冶炼厂等的废热实现分布式制氢。等离激元制氢的经济优势明显。主要体现在以下指标：

一是催化剂的指标。等离激元制氢技术反应核心催化剂的主要活性组分是金属和无机氧化物，活性金属含量不超过整体催化剂3%且不含贵金属和稀有金属，无机氧化物为有效金属提供框架结构。目前催化剂仅需通过一步反应产生氢气，产生的氢气只需将反应物残留的水蒸气和副产物氧气分离，没有其他杂质，可直接作为能源使用。

催化剂有效金属达到单一原子层，即0.3纳米的厚度，寿命可达20年。该原子层催化技术极大提高了技术保护壁垒，为保持这一优势，需持续研究提升等离激元纳米材料加工技术，建立一套简单有效、可规模化生产的纳米层级结构加工工艺，逐步实现从日产公斤级到吨级产量的工业化能力。

二是反应条件指标。等离激元制氢技术可在小于0.4MPa的压力下，低于150摄氏度的温度下，即较为温和的条件下反应生成氢气。使用水作为反应物，能量转化效率约为10%，产氢速率约为100μmol.g-1.h-1。

三是工业化成本指标。目前等离激元制氢工业反应装置的设计结构为不锈钢列管反应器。以光路径为例，每平方米反应装置按20根50mm管径不锈钢列管进行布设，总共20米，按20元/米计算，总计400元，1 m2有机玻璃透光顶盖约50元，2 m2保温箱体约100元，即每平方米反应装置成本造价约500元。按每10平米一套链接系统，成本200元，折合每平方米20元。按每100平米为一个基础控制单元，工业反应自控装置造价约3000元，折合每平方米30元，即链接控制单元折合每平方米共约50元。按照目标产能对应的光照总面积，500Nm3/h产能的工业反应装置总成本造价为550元/平米×17485平米，总计约960万元。目前催化剂的产氢率为1吨催化剂每小时可制氢气约0.28kg，按照所需的500Nm3/h生产规模，即44.6kg/h，因此需要催化剂总量约为160吨。根据原料价格估算，催化剂原料总成本约192.5万元人民币，目前纳米催化剂的制备工艺成本约为原料价格的1倍，因此一次性纳米金属化合物成本约为385万元人民币，催化剂寿命约为20年。随工业规模化后，纳米制备工艺成本可进一步降低。

表4.工业反应装置成本造价

表5. 500Nm3/h产能等离激元

绿色制氢工业单元总成本

四、“等离激元光合制氢”

产业前景广阔

当前，等离激元光合制氢技术已经成为该领域世界科技界最前沿方向，具备了进入大规模工业化阶段的条件。

目前，电解水制氢目前虽然技术逐步成熟，主要有碱性电解槽制氢（AE）、聚合物薄膜电解槽制氢（PEM）、固体氧化物电解槽制氢（SOE）三种技术路线。其中，技术最成熟的是AE，而PEM效率更高，但成本也更高。因此电解水因其高昂的用电成本使投资回收期较长，不利于大规模普及。

以光伏发电电解制氢为例。该技术原理是先使用太阳能光伏发电，然后将水电解得到氢气和氧气。相当于将太阳能进行了两次能量转化，降低了太阳能的能量利用效率。根据市场上最为先进光伏电解制氢模块数据，以及2020年发改委公布集中式光伏发电指导价格计算，光伏电价为0.35-0.49元/kWh，对应产出1吨氢气，所需电量为53000kWh，不考虑电解水设备和电极等其他成本，制氢成本已经达到18550-26970元/吨（18-27元/kg, 1.65-2.32元/Nm3）。

以离激元光合绿色制氢的光路径为例。能量转换效率约为10%，即10%的光辐射量转化为化学能储存在了氢气产物当中。因此，对应于500Nm3/h的氢气产能，所需要的每小时光辐射量约为62946MJ。在较强日照地区，太阳光水平面平均辐射功率按照1kw/m2计算，则每小时阳光总辐射量为1kwh/m2。因此，经计算可得，500Nm3/h产能等离激元制氢工业单元，所需要的光照面积约为17485平方米（约26.25亩）。

以实现500Nm3/h产能的等离激元绿色制氢工业单元为例，依据目前试验数据估算总造价为1345万元。氢气密度为89g/m3，即按照每天日照10小时计算，该单元日产氢气445kg，按照每年300日照计算，年产氢气133吨。催化剂寿命约为20年。按照20年折旧计算，折旧成本为5056元/吨氢气。考虑控制系统电力消耗、水消耗及催化剂清洗，总运营成本约为1000元/吨氢气。因此该模块制氢总成本为6056元/吨（6元/kg, 0.54元/Nm3）。

同等条件下，如果采用热路径，火电厂、钢铁厂、化工厂产生的废热可实现等离激元热辐射分解水制氢。年产氢气133吨的合成厂需要废热热量62946MJ。假定废热零成本，热路径制氢总成本约6000元/吨（0.54/元Nm3）。

经比较可见，等离激元绿色制氢的成本不到光伏制氢的三分之一。而且随着大规模工业化后，等离激元绿色制氢设备工艺可进一步提高，成本则可进一步降低。

受热机效率的物理限制，火电厂、钢铁厂、化工厂的废热约占总能量比例60%。仅全国火电每年约消耗16亿吨标煤，其排放到空气的废热能量为3000万太焦耳/年。理论上，中国即使所有地区供热均采用废热供热，也只能消耗这些工业废热的8%，其余热能均为成本为零的废热热能。“等离激元绿色制氢”技术可以利用这些热能将水转化成氢气，实现废热的利用，将其转变为高附加值经济产品。

考虑到能源结构和位置因素，我国的火电厂可配套该技术。火电行业产生大量废热，可用来制造氢能，能够大幅提高电厂能源的梯级利用效率，为电力行业的节能提供了一个新方法。通过技术改造，对现有电解水制氢进行升级转型，可节约大量的技改费用，节能高效，减少厂用电的使用，提高电厂的效益。利用火电厂制氢、储氢、管道输送和使用方面的经验，可以实现氢能的大量生产和应用。每个产生废热的火电厂均可成为城市的氢能分布式生产中心，电厂发展了新的制氢产业，为城市的氢能发展提供充足的、价格合适的氢能。该技术在火电行业推广后，为火电企业提供了内生发展动力，将来可以形成电力和氢能“双能驱动”的格局，电厂将获得新生，成为能源生产中心。

未来，我国可以输出等离激元绿色制氢技术，服务“一带一路”，与沿线各国合作实现绿色制氢，助力构建“绿色一带一路”，促进全球可持续发展，为推动构建人类能源命运共同体和环境命运共同体做出积极贡献。根据国际太阳能热利用区域分类，全世界太阳能辐射强度和日照时间最佳的区域包括北非、中东地区、美国西南部和墨西哥、南欧、澳大利亚、南非、南美洲东、西海岸和中国西部地区等，太阳年辐照量测量值大于6480MJ/m²。北非地区是世界太阳能辐照最强烈的地区之一，如阿尔及利亚的太阳年辐照总量9720MJ/m²，摩洛哥9360MJ/m²，埃及10080MJ/m²等。这些地区拥有世界上最丰富的太阳能资源，并且大约53％的陆地面积在“一带一路”倡议的地区内。

能源是决定人类进步的主要支撑，是经济增长的战略投入因素。国际可再生能源机构的《全球可再生能源展望》报告指出，实现能源转型每花费1美元带来1.5至5美元的经济回报。因此，等离激元绿色制氢技术在推动世界能源转型的同时，能够促进世界经济增长。

五、加大政策支持力度

（一）为了实现“碳中和”目标，加速能源结构转型，提高氢能源使用范围，降低绿氢制取成本成为当务之急，支持并推动等离激元光合制氢技术尽快工业化，实现大规模发展势在必行。

（二）建议将该技术纳入“具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目”予以支持。支持建设等离激元光合制氢重点实验室。

（三）建议设立“等离激元光合制氢”技术青年科学家项目，支持青年科研人才脱颖而出，加大技术创新人才培养力度。

（四）建议国家出台相关支持政策，利用“等离激元光合制氢”技术对火电厂、水泥厂、化工厂等行业的绿色化改造，加快推进钢铁行业向绿氢冶金转型。