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太阳能高效利用

主办单位: 中国科学院老科协
承办单位:中科院老科学技术工作者协会理化技术研究所分会
举办时间:2018-09-06       【字号: 访问量:

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简介
主持人致辞
主旨报告
邀请报告
讨论与交流
主要专家简介:
  1. 詹文山(主持人) 中科院理化所研究员,原所长。
  2. 吴骊珠(主旨报告)  中科院理化技术研究所研究员、博士生导师,超分子光化学实验室主任,长期从事有机光化学的研究,在超分子体系中光诱导能量传递、电子转移和化学转换等领域,特别在光化学合成反应和太阳能光催化分解水制氢的研究中取得了系统性创新结果。2001年获得国家自然科学"基金杰出青年基金"资助;2005年获国家自然科学二等奖一项(排名第二)。先后入选"新世纪百千万人才工程国家级人选"、“第十届中国青年科技奖”、“第七届中国青年女科学家奖”、“中国化学会-物理有机化学奖”、“第三届中国化学会-赢创化学创新奖”等。
  3. 孟庆波(邀请报告)  中科院物理所研究员,中科院清洁能源前沿研究重点实验室主任,北京市新能源材料与器件重点实验室主任。主要从事新型太阳能材料的制备与光电器件、风光互补智能微电网设计与控制、新型复合光催化材料的制备(光分解水制氢)、光子晶体器件的组装及其应用等方面的研究工作。2001年入选中科院“百人计划”,2007年获国家自然科学 “杰出青年基金”, 2011年日本东京理科大学校长奖,2013年科技北京“百名领军人才”奖。
  4. 王心晨(邀请报告)  福州大学教授,化学学院院长,博士生导师,福建省“闽江学者特聘教授”。 研究涉及材料、化学、物理、催化、环境等重要领域,主要从事人工光合成的基础与应用研究。2007年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”,2012年入选科技部“创新人才推进计划”,2013年入选国家“青年千人计划”和国家“万人计划”科技创新领军人才,2014年获国家杰出青年科学基金。
  5. (以下按姓氏笔画排列)
  6. 王树涛 中科院理化所研究员,所长助理,有机化学
  7. 云宏年 中科院理化所研究员,原副所长,中科院老科协理化所分会副理事长兼秘书长,物理化学
  8. 齐志英 中科院理化所正编审,中科院老科协理化所分会副理事长
  9. 李亚南 中科院老科协办公室主任助理
  10. 李亚栋 中科院院士,清华大学教授,无机化学
  11. 何远光 中科院原局长,中科院老科协执行理事长兼秘书长
  12. 佟振合 中科院院士,中科院理化所研究员,有机化学
  13. 张  亮 中科院理化所研究员,中科院老科协理化所分会副理事长,低温工程
  14. 张  彦 中科院理化所办公室主任、离退休办公室主任
  15. 张宝文 中科院理化技术研究所研究员 有机化学
  16. 陈  萍 中科院理化所研究员,原副所长,中科院老科协理化所分会副理事长,有机化学
  17. 林哲帅 中科院理化技术研究所研究员,物理化学
  18. 桂文庄 中科院原高技术局局长,研究员,中科院老科协副理事长
  19. 徐家远 中科院理化所原党委书记,中科院老科协理化所分会理事长,高分子化学
  20. 郭  林 北京航空航天大学教授,副院长,物理化学
  21. 黄庆斌 中科院理化所研究员,中科院老科协理化所分会副理事长,物理化学
  22. 麻丽雯 中科院老科协办公室主任
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【简介】

 

相比于传统的化石能源,太阳能是取之不尽、用之不竭的可再生资源,具有储量丰富、分布广泛、清洁环保的优势。我国是太阳能资源较为丰富的国家之一,太阳能利用前景十分广阔。太阳能开发利用充分体现了可持续发展的理念。然而,太阳能自身所具有的分散性和不稳定性,必须将太阳能转化为其他的能源形式(如化学能、电能等)才能够储存和利用。太阳能光催化制氢以及太阳能发电是太阳能利用的两种有效途径,前者直接将太阳能转换为化学能(如氢能),后者通过光电效应或者光化学效应把光能转化成电能。本次沙龙活动将重点讨论光催化分解水制氢和新型太阳能电池在太阳能的转换与利用方面的前景。

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【主持人致辞】

 

詹文山:现在学术沙龙活动开始,欢迎各位专家参加今天的“太阳能高效利用”学术沙龙,下面请院老科协理化所分会徐家远理事长致词:

徐家远:各位专家、各位领导、各位来宾,早上好!今天是中科院老科协理化所分会举办以“太阳能高效利用”为主题的学术沙龙活动,我代表理化所分会向到会的所有专家、领导、来宾表示热烈的欢迎和衷心的感谢。我还要特意说一下,王心晨教授是专程从福州赶来参加这次沙龙活动的,我们再次表示感谢。

今天沙龙学术研讨活动由理化所吴骊珠研究员做主旨报告、中科院物理所孟庆波研究员、福州大学王心晨教授二位专家做邀请报告,他们都将讲到新能源问题。我在强调一下,沙龙活动是一个平等的学术讨论平台,我们期待到会的各位能就自己感兴趣的、或者自己的研究心得、或值得思考、探讨的一些问题畅所欲言,交流讨论;开成一个生动活泼、自由研讨的学术沙龙活动。最后预祝本次沙龙活动圆满成功!谢谢大家!

詹文山:下面开始报告。我想每一个报告完了以后,大家可以提两个到三个问题,三个报告结束后再统一讨论,可能好一些。咱们有请吴骊珠研究员。

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【主旨报告】

 

吴骊珠:太阳能光催化制氢的研究

尊敬的各位老师,大家上午好。非常荣幸有机会在这样的一个活动当中向大家汇报我们在太阳能高效利用,特别是在光催化分解水制氢方面所做的一些工作。按照沙龙要求,在前期各位老师给我们提了很多的建议和指导,我就从这个研究的社会意义、应用背景以及它所涉及的真正的学术含义几个方面向大家做一个汇报。

太阳能高效利用最关键的一个问题还是从能源的角度出发。对于全社会来说,能源是人类赖以生存的基础。目前,全世界年耗能是14太瓦时(140亿千瓦时),预计到2030年会达到20太瓦时,2050年将进一步达到30太瓦时。目前我们所使用的能源主要是来自于化石能源,从世界的能源结构来看,主要是煤、石油和天然气。对于我们中国来说,煤是占在72%,石油20%,天然气仅有2%。化石能源的消耗,不仅引起了能源的短缺,而且使气侯严重恶化。我们回头看,这样一个化石能源实际上是过去植物光合作用积累的结果,我们把化石能源用尽的时候,我们可能全世界每年的能耗就相当于地球50万年的光合作用的结果,所以这样的能源消耗,呼唤人们要发展新能源,那么这样的能源从哪里来?

从可再生能源角度来说,有太阳能、风能等等。太阳能这样的一个能源,大家知道是取之不尽用之不竭,每年到达地球表面的太阳能高达12万太瓦,每小时地球接受到的太阳能,足够全世界消耗应用,如果太阳能的转化效率达到10%,那么0.16%的地球表面每年提供的太阳能便超过了目前全世界每年的能耗。

作为一个重要的清洁能源,它的特点毋庸置疑,但所有人都知道太阳能能量密度低、不稳定,必须要转化为高密度的能源形式才能被高效的利用起来。大家知道,太阳能能够转化为电能,太阳能电池最好能够达到20%以上,如果是多阶电池还会更高,这一点孟庆波老师的报告会跟大家阐述。太阳能电池实际上已经走上商业化的道路,从这个角度来说太阳能是可以储存为电的,并进一步被人们所用。如果要把太阳能直接转化成化学能,把储存的化学能进一步应用到一些反应当中去,这样有可能使太阳能的利用率更高。这个角度来说,我们认为光解水制氢是太阳能转化为化学能最直接有效的方法。

目前氢的来源是多样的,它往往是通过一次能源,比如说化石能源重整,或者是二次能源(电能)电解来制取。氢是环保的能源,如果在电池条件下,它可以用电的方法将氢也转化到电,或者是水,或者是这样的氮氧化物,没有任何的污染。此外,氢是可以储存的,可以在电力或者热能过剩的地点,把它储存起来。氢还可以再生,因为氢和氧气反应就是水,而水又可以分解产生氢气和氧气。从这个角度来说,如果把太阳能储存在这样一个化学反应当中,无疑就是说可以在汽车当中注入氢,然后氢能让汽车可以跑起来,那么它所释放的水可以进一步的解开变成氢气和氧气。人们可以设想在未来的社会当中,如果真正利用氢气作为能源载体,我们可以实现很多很多有用的化学转化以及生活方面的应用。

我们在畅想这么美好的一个未来的氢能前景的时候,我们所涉及到的最关键的科学问题,或者是我们要解决的最关键的科学和技术问题在什么地方?怎么样可以把水变成氢气和氧气?

很多人知道水是特别稳定的物质,要实现水的电解变成氢气和氧气需要消耗能量,也就是说这是一个热力学不利的过程。如果我们可以用这样的一个反应把它解开变成氢气和氧气,那么也意味着把能量储存在这样一个化学反应当中,而同时得到的这样的一个氢气。生成的氢气可以同氧气进一步反应生成水,同时放出热量,实现后面的一系列的循环。

在这个研究当中,并不是现在才开始说这样的一个问题,早在很多年前,日本科学家他们发现二氧化钛电极在紫外光照的情况下是可以把水解开放出氢气和氧气,尽管当时的效率非常之低。这一研究结果表明我们可以发展一些分子的材料或半导体的可见光光响应材料,实现水的裂解生成氢气和氧气。在后续的很多年当中,人们发展了一些材料使得紫外光下水解效率突破50%,这是非常可喜的一个事情,证明水在光照条件下是可以被解开的,我们可以拿到氢气和氧气。

然而,我们会发现这类材料仅仅是对紫外光响应,而紫外光在整个光谱当中的占比不到5%,所以即便有50%的效率,如果太阳光的利用率只有5%的话,整个过程的能量转换效率依然很低。因此,要真正实现这样的一个反应,必须要发展具有可见光响应的催化材料,实现水的裂解释放出氢气和氧气。

我们可以看到,自然界光合作用可以在可见光的作用下实现水的分解,变成氧气供我们呼吸,生成的电子和质子能够还原二氧化碳生成碳水化合物,实现太阳能到化学能的转换。在自然界当中,这样的一个过程是在一个非常温和的条件下进行的。为什么这样复杂的化学反应能够在温和的条件下进行?科学家研究发现实际上在光合作用系统的蛋白膜上,能够通过光合系统1和光合系统2协同,在2中完成水的氧化,1中完成质子还原,实现水的分解变成氧气和氢气,同时这样的电子和质子,进一步和二氧化碳和氮气等等一系列的物种反应生成液体燃料或者是化学能。

按照这样的研究思路,是不是可以利用这样的催化中心去实现产氢的过程?因此,科学家们对自然界当中的氢化酶蛋白结构进行了解析,发现其在非常温和的条件下可以实现质子的还原生成氢气,催化效率比工业上使用的Pt(铂)还要高。研究发现自然界氢化酶的活性中心是一个由铁原子组成的二铁二硫结构,是一个廉价的催化剂。因此,我们是否可以通过合成的方法来模拟这样的催化中心,实现质子的还原放出氢气呢?

基于这样的研究思路,我们通过光敏单元连接铁氢化酶模拟化合物来实现电子转移、质子还原产氢等一系列过程。研究证明这样一个光催化分解水制氢过程是可以发生的。那么这个过程为什么可以发生?催化中心究竟是发生了一个什么样的作用机制?在光照的情况下,光生电子能够到达激发态,并且快速的由光敏剂分子传递到催化中心实现质子的还原产生氢气。在这样一个催化反应中,电子转移的驱动力越大,转移速率越快,光生电子就越容易传递到催化中心还原质子,不断的生成氢气。此外,光生中间体的寿命越长,体系产生氢气的能力也越强。

我们按照这样的思路,构筑了人工光合成制氢体系,不断提升可见光催化产氢的效率。利用人工模拟的氢化酶在一个相对比较长的时间里实现质子的催化反应,使得催化产生的催化循环数突破了500。进一步通过分子的设计,使得这样的体系催化产氢和其它体系当中催化产氢的效率是可以比拟的。

那么是不是可以和自然界当中氢化酶的产氢速率一样呢?在这一体系中,我们是通过分子的设计来实现了催化产氢效率提升的目的,从而能够快速的产出氢气。进一步地,我们模拟自然界当中的蛋白环境,实现催化产氢效率的进一步提升。相同条件下,没有这样的一个模拟蛋白环境,这个体系的工作效率是极低的。也就是自然界为什么会在这样的一个光合过程当中来实现这样一个反应?我们基本上理解了这样的一个循环过程。

那下面的一个问题,我们能不能制造出真正的人工合成的催化剂,具有和自然界氢化酶相媲美的催化产氢效率呢?我们的研究发现在可见光照条件下量子点和金属盐作用能够快速形成这样的催化剂。这个催化剂的产氢催化循环数可以突破22万,并且长时间光照催化效率不衰减,可以反复的使用,能够不断的从水当中把质子提出,获得氢气分子。

那么这是一个偶然的发现还是具有普遍的意义?我们发现利用其它一系列的廉价金属和量子点也能构筑高效的催化剂,效率不断的提高。在这一体系中,我们发现它是在组装的过程当中,以原位生成的气泡作为模板,得到了一系列非常高效的催化剂。这一结构把吸光单元、催化单元完美的组合在一起形成光催化剂,所以在光照的情况下能够保证吸光、催化在一体上发生,就像光合作用系统能够对太阳光实现高效捕获,然后快速的将电子注入到催化中心,发生一系列相关的化学转化。

那么我们所得到的催化剂效率到底有多高,或者是否可以和自然界体系相比?我们高兴地发现,我们所构筑的人工模拟体系在一定程度上可以和自然界当中催化产氢的效率是相当的。并且这个体系我们是可以重复利用,是具有真正的工业价值,相比于现有的其它体系具有一定价格优势。

在去年,我们让这样的一个催化产氢的体系的产氢催化循环数突破了1600万次,稳定性逐步提高。在这一层面上说我们能够模拟自然界光合作用的核心,实现太阳能到氢能的转化,获得极高的产氢效率,达到目前国际的最好水平。

我们可以模拟自然界光合作用来产生氢气,那么水是不是可以被解开?最终的问题是可不可以把氧气拿出来?自然界当中是通过光合系统II来实现水的氧化。质子的还原过程是困难的,那水的氧化更加困难。因为水分子的氧化会涉及到体系的稳定性,催化剂在这么一个多步氧化的条件下是不稳定的。

为什么会出现这样状况?因为在这个中心,随着光照产生以后生成的空穴具有很强的氧化性,从而让水分子都能够解开。我们的想法就是,第一步是不是可以让光生空穴快速的传递出去,来保证催化剂的稳定性?我们发现了氮化碳材料在光照的情况下,引入空穴传输单元的能够快速的捕获光生空穴,提高产氧的效率。进一步地,如果我们可以把这样的一个光生的空穴拿出去用于水的氧化,是不是我们可以更有效的方式来实现空穴的传导、水的氧化呢?我们发现氯离子和氯自由基能够作为一个氧化还原对把空穴传递给溶液当中的水来实现水的氧化、放出氧气。自然界当中的水氧化中心是有一个[Mn4CaO5]的催化中心,我们是不是可以拿到这样的催化中心来实现水的氧化呢?化学所的张老师发现了一个结构上和自然界水氧化中心完全类似的分子,然而遗憾的是这样的分子仅仅停留在材料的结构上,还不能实现水的氧化?我们设计了第一例铜的立方烷结构,然后我们发现通过配体设计,我们可以实现多电子的转移,实现水的催化氧化放出氧气。进一步研究发现这样的一个氧化的速率和自然界当中的水氧化速率是相当的。

讲到这里,我们会说我们可以利用人工合成的方法把水中的质子还原来放出氢气,同时我们可以实现水的氧化放出氧气。然而,在自然界当中这样的两个过程完全是在协同的条件下完成,光合系统II能够把氧气放出来,同时电子和质子能够传递到光合系统I完成还原过程。我们利用这样的一个具有双功能基团的分子,通过组装的方法将催化单元组装在电极表面,实现可见光照条件下水的裂解。我们的研究结果证明了光照的情况下能够产生光电流,产氢法拉第效率达到100%。同时,我们的器件可以在45个小时里稳定工作。最关键的是这样一个体系里没有加任何辅助的东西,仅仅是在水的条件下实现了氧气和氢气的放出。

很多老师和同学肯定要讲,这个事情并不新奇,因为1972年的时候日本科学家Fujishima和Honda就已经证明可以完成这个过程,将水裂解为氢气和氧气。在紫外光的照射下,尽管效率不高,但的确实现了这样的过程。那我们这个体系和他们的体系不同之处在什么地方呢?

二氧化钛一定是阳极且吸收紫外光,然后通过传导光生电子到对电极实现氢气的放出,完成水的裂解;而在我们这个体系中,所有的电子都是在阴极的表面来工作的。我们能够利用这样一个光阴极的体系实现水的裂解生成氢气,在对电极上面氧化水生成氧气,那原因是什么?为什么我们的体系能够让空穴到对电极去,把氧气放出来?最根本的是,我们可以实现光生空穴的高效捕获与迁移。光生空穴一般是很难迁移的,我们如果可以加快空穴传输速度,这个体系的效率是可以进一步提高的。研究结果证明的确是提高的。当我们简单的在这个体系当中引入一个空穴传递的单元,进一步加快了空穴的捕获和传输,从而加快了分解水制氢的效率。在这方面涉及很多材料,石墨炔具有很好的空穴的传导率和导电率,所以我们可以在这个体系上面来组装这样的一个电极。我们的研究结果证明的确是这样,它能够完成这样的过程,产氢和产氧的速度非常之快。

按照上面的思路,我们来模拟了光合作用中心,通过光合系统I的模拟来实现质子的还原放出氢气,然后通过光合系统II的模拟完成氧气的释放,最关键的通过I和II的组合在一个器件当中实现了水的裂解,使得热力学上非常稳定的反应在可见光的照射下裂解变出氢气和氧气。

讲到这里,大家说,这个故事似乎讲得很完整,这个体系是不是可以用呢?因为我们从前面讲的角度来说,这个体系做到一个什么程度就可以用?我想每个人可能都会想这个问题,那这个和我们国家现在提出来的刚刚发布的指南不谋而合。科技部刚刚发这样的一个指南,就是说部署怎么样发展可再生能源与氢能技术重点专项。这是相关的一个总体的目标,目的就是要大幅提升我国可再生能源的自主创新能力,这个时候特别是在氢能技术的发展,为将来的能源结构的调整、应对气侯的变化来奠定基础。这个好像很大,和我们现在的体系有什么关系?中间专门有来召集大家去申请,就是说我们怎么样在太阳能光电催化、制氢当中发挥作用,怎么样面对现在的要求,实现高效、低成本的绿色制氢的目标。

那最终的目的,就是说我们如果项目拿来,或者说最后做到这个东西,怎么样具有实用化的标准?太阳能分解水制氢的能量转换效率大于10%,稳定性大于3000小时。这是从政府部门来说,它提出了这样的一个要求,那么这个要求,我觉得对于我们刚才所讲的这样的一个体系,是有可能实现的。我们刚才讲通过电极的修饰来做光电化学池实现水的分解制氢,那很多人想这很容易,因为电池可以做到商业化,我用电池和电解直接把水解开也是可以的。这样的一个过程两条路都可以走,最终要想做到的就是真正从技术上突破,我们还是需要有可以用的廉价的、高效的催化剂。

如果是实现了这样的一个体系,在未来的一段时间里,会是个什么样的过程?首先电池和电解,这两个原本都已经商业化的或者是接近商业化的结果,在未来的十年当中,肯定还会是有很重要的一个表现。同时,在进一步的发展过程当中,光电化学池也有可能会产生重要的贡献。所以,如果我们说真正的氢气能够实现相关的转化,那它的用处是很多的,比如说可以在供电站实现气能转换,可以军事利用,只要有氢气,我们所有的化工工业氢化的过程都是可以用的。最典型的,合成氨气分子,或者是液体的燃料,只要有氢气就行。长远的角度来说,还有运输的问题,或者是说在我们整个社会体系的能源结构当中,氢能是不是可以变成一个我们大家认为的确有社会意义的一个能源形式,在将来的生产、生活当中为人们所用。如果这样的一个过程能够实现的话,我们可以想像把氢气储存起来使得燃料汽车变成真正的公共交通。我相信所有的人在想这个过程的和我们前面所讲的过程有什么关联?最关键的就是氢,现在的燃料电池里要背一个氢气罐,我们可以直接用水变成氢气,这个氢气能够满足燃料电池的需要,并且和现有的汽车系统完全匹配,那将是最理想的一种情况。我说这样的事情,不仅仅是提个愿景,现在有很多已经付诸实施的工作。比如说国家燃料电池和商业化的应用,现在在山东济南已经启动,所以做燃料电池的汽车,将来的目标都是要实现年产两千辆新能源的汽车。还有企业和单位的联合,都是要实现怎么把氢能利用起来,使之成为真正可用的能源形式。

刚刚日本丰田公司发布了这样一款新车,这个新车完全用的就是氢能燃料电池。不充电,26万起售,和我们现在的汽油车对比价格也不是很贵。它的最大功率大家可以看,和现在的电动汽车是有可比性的。一罐氢气最远可以跑650公里,充一罐氢大约5分钟。氢气燃烧变成了水,不会影响环境。所以,所有的问题又归结一点,是不是可以拿到最廉价的或者是最可用的氢气?现在有很多其它公司也介入到相关的研究当中。这是法国的一个公司,它在美国加利福尼亚建了加氢站,因为已经建起来了,但大家到哪去找这个加氢站?所以建了一个系统,你可以在网上查离你最近的加氢站,给你的车加氢。目前的话,它已经建立了35座共用的加氢站,随着加氢站及氢燃料电池汽车这个领域的发展,相关的研究会更快。

我们刚才说如果真的是有氢能的产生的话,对将来的能源结构将产生非常巨大的影响。已经有很多示范的氢能工程的建立。是在日本,人们通过政府、公司以及和汽车公司去联合签署这样的一个氢能的社会的展示项目,所以希望能够通过这样的展示项目,来探讨或者是说来实现是不是未来的这样的一个氢能,能够真正的作为可再生能源,为社会所用。

通过上面我向大家汇报的相关的研究,大家会知道,虽然我们知道从一个化学方程式上写起来,这个反应并不难,但大家已经经历了这么多年的研究,而现在的研究不仅是在学术界解决科学问题,而且是在工业或者是在国家的相关的部门,都在评价这样的一个体系,是不是有可能将来真正为人类社会发展做出贡献?这是相关的一个路线图或者是时间的点,在将来的社会当中,人们通过这样的研究会理解出来,这样的一个氢能社会,究竟离我们现在有多远?如果我们现在,在2010年这个点是研究这个过程是不是可以进行,那么在这个阶段,我们是怎么把这样的技术介绍给社会可以用的,那么真正在基础建设当中,我们是不是能够利用氢能作为一个能源的方式,来贡献给社会?那么到后来,大概是从2025年到2040年阶段,可能真正会实现一个氢能的在社会当中的应用,我觉得可能大家还都是有机会看到这一天,发展氢能的基础,真的是对社会所产生的这样的一个价值。

以上就是我在光催化制氢方面做的报告,所有的研究来源于我们实验室的全体的老师和同学,这么多年,在这个方面艰苦的奋斗,当然我们也认为这个体系,我们还是有信心能够把它做好,我们希望能够在将来的工作当中,能够有进一步的发展,我们要感谢国家科技部、基金委、中科院对这个项目的资助,特别的感谢中科院老科协理化所分会,各位老师(云宏年、陈萍、张亮、齐志英、张彦、高军)在这个会开之前,组织我们教我们很多东西怎么去讲相关的研究,怎么去告诉大家,我们还有哪些不足,非常感谢他们的帮助,没有他们我们可能今天没有办法给大家讲一个,就是说从这些方面向大家汇报工作,我也特别感谢我们实验室的李旭兵老师,在整个的工作当中,包括和各位老师的联络当中,包括对整个工作组织当中,所给予的帮助,谢谢大家。

詹文山:我们提三个问题,好吧。

桂文庄:听到了吴老师刚才讲到的那个,非常好的模拟了自然界的光合作用这样的一个体系,实验室实现了,这是个非常好的。我想知道,现在你们用的是什么材料?这种材料将来规模化的生产和发展前景怎么样?

吴骊珠:是这样的,桂老师,我们现在所有用到的一个理解,是模拟了光合作用的系统,做了相关的体系,从用的角度来说,我们已经发展成真正的人工体系,不再依赖于自然界的体系,这个从它的应用和规模放大的角度来说,是非常有前景的。

桂文庄:这种材料是属于无机材料,可以比较稳定的存在吗?

吴骊珠:对。

佟振合:量子点,很好做,很便宜。那个催化剂呢,用镍、钴这类的,都是自然界拿来就用的,很便宜的。

张宝文:吴老师今天早上非常深入浅出的讲了氢能的过程,确实氢的储量非常大,专家说它构成宇宙的75%,地球上也非常多,但是它主要是以水,是14亿立方千米,那量大极了,而且它燃烧也无污染,但难的是从水里提取氢。吴老师工作做得非常漂亮,同时模拟了光合系统I和光合系统II,结合起来,放氢和放氧。现在问题是,你放出来的氢,考虑过没有,如何把它储存起来?当然您弄到罐里,那个运输,因为它的沸点非常低,负250,容易燃烧和爆炸,那么能不能把它储存得像水一样那么简单,稍微给一点能量又能放出来,这样它的储存和运输就非常的方便了。丹尼尔2013年的时候做了一个电池,光化学燃料电池,能够白天放了氢和氧,把它储在罐里,晚上再用它,而且好像已经能用了。但这里头有一个问题,你如何储存你这个氢和氧?我觉得下点工夫,同时放氢、氧的时候,简单的放那储起来,稍微给点能量出来了,然后你就能用了。

吴骊珠:您讲的是过去在MIT的那个丹尼尔,他们的体系现在做了一个示范的工程,还没有真正用。他们把这个站建在了印度,所以目前正在建设当中,还没有说一定是这样。我觉得,从用的角度来说,如果能够用光的方法,比其它方法,如目前的甲烷重整,得到的氢气的话,最关键还是取决于催化剂。之所以需要储存,是因为在汽车跑起来的时候,你产出来的氢气浓度不是足够的大,你要储存起来,然后等你用的时候,可以加大马力或者说量可以控制,这个时候一定是需要储氢的。氧气是通过空气泵的方法把空气当中的氧气注进去。我想如果从光催化的角度来说,如果你的催化剂足够好的话,就是你的光照上去,产生氢气加上后面相关的过滤过程,如果可以快速进行的话,它是可以立即使用的,在储氢方面压力会小很多,因为你产氢的速度足够快。

桂文庄:但有一个问题,我怀疑你可以一边分解一边开车,因为汽车它耗能,你那点光合作用,提供的能量恐怕跟不上,就是从能量转换的角度,没有那么多的能量马上来转换成汽车的动力。

吴骊珠:是,如果速度足够的话,足够的供上用。

桂文庄:但现在不在于快,而在于说你接受的太阳能有多少,这些能量转化为汽车跑的所需要的能量有多少。

吴骊珠:那就是说,现在在车的设计上,有一个对光的收集的问题,这个已经不是化学反应了,这只是在结构上面有一定的设计就可以了。

詹文山:一个平方米的光的能量六百瓦还是七百瓦,这个能量是死的,这个能量能产生多少氢?不够,能量不够。

吴骊珠:就是能量密度低。

张宝文:怎么样把它收集起来是个问题。

桂文庄:将来这种催化制氢,可以分散到任何地方去。现在有好多种制氢的办法,比如说是在海边修了核电站,核电站发电制氢。但氢有运输的问题。我觉得将来用氢,集中供氢是不行的,要分散的话,你这个办法是最有效的办法。另外太阳能电池板,那个电池板,当然也可以制氢,但那个东西,电池板本身又有好多的消耗。

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詹文山:两三个问题够了,现在有请物理所的孟庆波研究员作报告。


【邀请报告】

 

孟庆波:新型钙钛矿太阳能电池

刚才吴丽珠老师的报告把我们带到了一个“氢”时代,是个很美好的愿景,吴老师给我们介绍的日本人的一个汽车能跑650公里,这是一个很了不起的成就。这背后包含着氢能利用链上的产氢、储氢和用氢(氢燃料电池做得好)。只有全部解决才能真正走向市场,也不可能是一个课题组全部解决的问题。其实我们只要做好我们自己的一部分,其它由别人做。就像吴老师的团队,把很大的力量主攻利用丰富的太阳能“制氢”这一方向,且取得了许多有价值的成果,就非常好!另一方面,氢能经济链上的问题还很多,需要一个个去攻关,这是我个人理解。

非常高兴见到各位老师和各位朋友,有这个机会给大家汇报工作。当我看到佟先生和在座的各位老师,我就在想,今天这个报告怎么讲呢,尝试着以科普的方式把复杂的问题讲出来。就是把自己的工作、研究方法和一些感悟跟大家分享一下。

我今天报告的题目是新型太阳能电池,这个新型太阳能电池显然是和传统的硅电池是不一样的,就是我这么多年,从1999年在这个领域,一直在这方面的工作,从来也没变过,就是方向没变过。我也很荣幸的,其实我回来后在物理所建了一个太阳能团队,这个光电材料是一个方面,其实我也非常关注光分解水制氢。目前为止,我也做了近20年光分解水制氢方面的工作,我没申请一个基金,但我的实验室一直在做,包括跟王心晨老师也有交流,派学生到心晨老师那学习,包括佟先生多年对我的工作也非常好的指导。为什么有这个缘分,因为当时我也是从日本Fujishima老师那回来的,结果就我一直在坚持,虽然没有项目支持,但我还会一直坚持下去,因为我认为它重要。

今天讲新型太阳能电池方面的工作,刚才吴老师讲到氢经济时代,百分之百零碳时代,那是我们最好的目标。以前的化石能源是百分之百的碳,到最终的美好的梦想是百分之百的氢,但我们现在处于中间过程,正在努力。其实另外一个,太阳能转化电也是很好,这个大家知道,可持续发展,这对改善环境的有重大意义。

过去20年当中,太阳能的技术和效率不断被刷新,这是过去20年取得的成绩。过去20年当中,中国对太阳能光电利用方面的贡献特别大,变成生产、出口和应用大国,这是我们的现实。好像很多问题都解决了,但看一下这个技术指标(性价比),有这么好的进展,但还是不能和火电和水电比拟,如何解决?还需要政策扶持,比如说今天光伏不补贴了,那市场就不好了,企业就倒闭了!这个时候如何解决它呢?我们的企业家已经做很好了,接下来如何进一步的提高性价比,这是一个关键,在这里边呢,对传统太阳能电池你可以继续提高效率,再就是发展新型太阳能电池。我是从1999年在日本工作的时候,我们那个组,是我率先开展的新型太阳能电池方向的,我是把这方向建立起来。回到物理所后,继续从事这一方向,一直到现在。刚回来时,跟理化所的王雪松老师、张宝文老师一起参加一个科技部的染料敏化太阳能电池项目,2009年的时候做量子点太阳能电池,到2013年我又做开始做钙钛矿太阳能电池。做了很多种新型太阳能电池,但一直坚持这个方向。在做的过程中,尤其在染料敏化太阳能电池,我们在做染料敏化太阳能电池时,做固体电解质碘化铝的时候,发现了一个新型的单碘的导体,其这一新的阴离子电解质在固态纳晶染料敏化太阳能电池和储能领域都有一个很好的研究和应用。这个材料和工作,是我们对这一领域的一个贡献,也可以说,在浩瀚的文献中能留下的一个痕迹,这是发表了一些相应的文章和申请的专利。

当时为了促进DSC电池的应用,我们在模块设计方面做了一些工作,可以把世界上普遍使用的并联的和串联的两种模块化方案优点集成在一起形成新的模块设计,这是我们在这个模块设计上发表的几篇文章,并且也申请了专利,如果把染料敏化太阳能电池推向生产的过程中,在模组的设计方面,这是我们自己的特色。

在量子点太阳能电池方向上,我们团队目前也是最好的三个团队中的一个,最好的是华中理工大学的(钟新华)老师他做得是最好的,但我们团队也是能够达到全世界10%以上的三个单位之一。

这是2015年之后我们做的CZTS电池能模块,上面简要介绍了我们团队发展的历史。

今天的工作,主要介绍一下新型钙钛矿太阳能电池方面的工作。这个方向特别热,大家看到效率也特别高,最好的效率是我们科学院半导体所的尤老师做的工作,效率达到23.2%,全世界最高的,在这个点上是我们中科院做的,我们也非常高兴。但接下来,如何解决它的稳定性?是这个领域最重要的问题。

我们在这个领域的也做了一些工作,首先简单的介绍这个材料。这是个有机无机杂化的ABO3钙钛矿结构的材料。天生做光伏的材料,所有的指标都好,除了具有铅的元素不太好,再就是不稳定。我想全世界很多的团队都做了很多的努力,比如说材料的设计、化学的工程,其中这些高水平的工作都发表到很好的杂志上。那我是物理所的,我的工作一部分,就是在物理机制方面做尝试。

那要回答,一些物理机制方面的问题,因为这钙钛矿电池是从染料敏化太阳能电池发展起来的,第一,这种太阳能电池到底是敏化太阳能电池还是异质结太阳能电池?第二,这种太阳能电池中空穴材料的必要性问题?还有,这个界面起到什么作用?什么原因导致这一迟滞现象?以及什么因素影响这类太阳能电池稳定性问题?

因为你要是从材料,从化学工程角度,我们绝对做不过兄弟单位。我们物理所,这个团队,就从物理角度做尝试。上述所有的问题的本质,都是电荷过程,所谓的电荷过程,就是对电荷载流的产生、负荷输运等等过程的理解。

所以这次我给大家介绍的,就是太阳能电池载流子输运动力学方面的一些工作。首先,当我们进入这领域的时候,染料敏化太阳能电池创始的G教授等这一些人,认为钙钛矿电池是染料敏化太阳能电池,牛津大学的S教授,这个年轻的博士发了好多文章,认为是异质结太阳能电池。与G教授争论很激烈。

我们从物理的角度来研究一下,从电荷性质研究,这是太阳能电池,因为这种无空穴材料太阳能电池结构简单,我们当时制备电池效率超过10%以上,是当时效率就最好,基于这样好的实验结果,为我们研究机理打下基础。这是它的电压的电流的方程。

根据这个方程,,我们对这个物理模型进行一个了理论的模拟,可以把这个方程写成微分直流特性和交流特性,之后根据电池的数据进行模拟和理论分析,我们发现电池属于异质结性质。把我们的结论发表之后,这个G教授,也在他的一篇文章引用四次,也承认了这个结果,之后在这个方面,是染料敏化太阳能电池还是异质结电池,就没有争议了。同时我们团队还做了很多追求高效率方面的尝试,我们也达到20%、21%效率了。

接下来的事情,刚才也说了,这么好的效率,应用没有问题了,那我们就想,如何解决它的稳定方面的问题?首先研究一下电池到底怎么不稳定?从哪儿不稳定?

大家都知道电池变坏是从最薄弱的环节开始,也是从材料的表面或晶界处开始,但我们假设给材料加热的情况发生什么?因为甲烷分子挥发,就变成了碱化铅,所以加热是不稳定的。那接下来水汽,它也反应了,这个大家知道,是从这里开始变化的,那你如何解决?最简单的方法就是物理方法,我给它保护起来不就完了嘛。所以我们就想,从这儿开始,就是说保护起来,原位的这个地方加个高聚物分子膜保护起来,跟外界的水也不反应了,是不是可以大幅的提高稳定性?这个想法很好,接下来问题,就是说我们选什么材料?并且这个材料本身,它也非常薄,不要影响电荷的传输,这个时候我们就选择了PS这种材料,这样一个好的材料,如何做下去?所以我们做钙钛矿的这个过程的时候把PS引进去,很好的实现了我们的目标,PS就覆盖到材料表面,这是没有,大家可以看到,就是SEM,就是没有PS的时候,粗糙度高,这是AFM,有PS的,粗糙度大大降低了,确实把它盖进去了,这是我们实现了这个目的。

同时呢,通过红外光谱和二次离子质谱看,确实从物理上实现了原位保护这个过程。另一方,这种方法引进PS物质,并没有影响结构,同时也没有影响光吸收性,但这个过程中,我们进行了一个,就是稳定性这个测试,在这个过程中,我们可以通过加热,在160度加热,(80度以上可以分解),我们希望加速分解的过程中,我们做了160度加热实验,可以看到,如果没有PS保护的时候,这碱化铅很快出现了,当有保护的时候,加热160度的时候,这么长时间几乎没有碘化铅,就证明是稳定的,并且XPS也证明了这个稳定性,就是说我们PS可以减少碱化铅甲烷分子的分离。

这种PS材料是个超级疏水的,对水的敏感性也得到很好的提升,总的来看,底下沸腾的烧杯,把水加沸腾了,可以看到,没有PS这个,很快的变黄了,那有PS的,变得特别慢。另外,有PS恢复后,可以彻底的恢复,所以从水稳定性、环境稳定性有提高,这是我们自修复的现象。并且在这个过程中,我们通过加PS,整个电池的效率,平均效率可提升,这是当时我们的结果,所以为了解决这种太阳能电池的稳定性,也是很好的尝试。

第二个问题,碳基对电极材料方面的努力,因为用碳来替代Au,可以大幅度降低成本,并且也有很多的尝试,但还有一些问题,目前的效率低,做的过程复杂,并且界面不好接触。那我们的方案,在原来的基础上,提出了交换的方式来解决问题,得到了很好的一个疏松的碳膜。用这个材料,我们做的电池,就是说通过各种不同的表征,通过一个力的作用,很好的成膜,很好的柔软性,这是整个的电池的,就是跟电池的结合程度,都有大幅的改进,并且界面的接触也得到提升。最终,我们用这种电池,我们自己做这个膜的电池的效率达到19.2,比一般传统的方式有大幅提高(15%左右),这是接近20的一个,可以把我们的电池做成一个碳的卷,可以大规模应用。

刚才说了这么多,其实做了这么多的新型太阳能电池,从染料敏化到钙钛矿做了这么多年,为什么突然加了这么一个题目和问题?你做所有的工作,都为了提高性价比,无论是对新型太阳能电池,对传统太阳能电池,如果你能想办法提高效率、降低成本都是很有意义的。

所以我今天提出这样的题目和问题,把刚才电池的表征效率变成这样的一个表,单结太阳能电池,达到了25了,已经很高了。那三结的,两结的更高,这个表征,理论效率远远大于实验室的效率,如果我们能够把效率进一步提高,非常有意义,所以这个时候,热力学,每个电池有最高效率,但实际上效率,尤其多结的时候,还是差别很大的。所以我们要从动力学理解这个差异是哪产生的?在这个电荷的输运过程中有损失,所以要知道哪个材料有损失了?要是能把这些问题找到,指导实验,实现研制生产电池的效率逐步提高并逐步接近理论效益,是非常有意义的。

这个过程,是个瞬态光电系统,是可以实现这个目标的。在这里面的系统,就是TPC和TPV。如果把这两个方法复合性质得到后,就可以得到很多的载流子疏运的动力的信息,这样的话,指导我们电池的技术研究和生产是很有价值的事情,这是目前广泛的使用方法。在染料敏化太阳能电池,国际一流的团队,他们用这个方法,确实解决了很多科学问题,也为新太阳能电池效率提高做出了很多的贡献,这就是说技术的现状。但在2012前后我们有了基本条件,能进入这个领域的时候,2013年美国西北大学的马克教授发过一篇文章,说输运与复合受很多外部因素的影响,如偏压、光照等等,那这个时候问题就来了,刚才我们看到现有的测试系统,一个是短路状态测的,一个是开路状态测的,并且希望这两个关联,这是两个极端条件下得到的输运性质参数,那我们得到的结果到底是代表短路结果还是开路结果?出现了一个矛盾。

另外呢,电池在真正工作状态下,这个部分,它的输运和复合包括效率怎么样,这个方面的理解,对我们工作是更有意义的事情。刚才这个问题提出之后,就变成瞬态光电测量领域的一朵乌云压得大家喘不过气来,经过了两三年的思考和研究。2015年德国这个团队,他们通过串联电路的设计,可以获得偏压对载流子输运的影响,你看当时的题目也写得很好,就是说电荷输运性质,以前的是否真正理解了,他们的方案确实解决了一些问题。但他们的这个方案中,有它的不足,只实现了偏压瞬态光电流测量,不能实现高速瞬态光电压测量。2015年我们团队提出了并联的解决方案,可以实现在不同偏压和不同光照下瞬态光电流和光电压的准确测量,我们的团队和他们团队都是2015年发的文章分别独立提出不同方案解决这一问题。

这是我们整个系统的框架基础。

我们并且在这里用我们的系统,针对新型钙钛矿太阳能电池迟滞现象,不同的团队有不同的解释,其实这些都是很正常的。为什么都正确又不同呢?本质是下一层的物理的机制他们没有,用我们这个方法,我们可以得到更本质的电荷输运信息,所以我们得到结论是离子迁移导致的迟滞现象,我们的解释比他们更进一步,也就是我们的解释和理解。

我们这个工作,当时也投了什么Nature系列的杂志,因为我们发展了一种新方法,解决了最难解决的问题,怎么投人家都是拒的,他们也可能没有看懂。最后没办法,我们把一篇文章拆成两部分发了。物理机制,发个APL,技术方案发表在仪器分析方面杂志上。但你看这个团队,2016年发表的工作,跟我们图完全一样的,他们能发,但我们当时投的更早,我们2014年投的没发,但人家2016年发了。

现在我可以简单介绍一下,现有瞬态光电测量法只能在两个极端状态下测电荷输运性,这是小的范围。那我们可控的方法,可以实现测量物理状态的拓展,实现测量模式的拓展,实现时间尺度的拓展,具有更广的应用范围,我们希望能够给出更多的合理的自洽的微观动力学参数,可以指导新型太阳能电池或者传统太阳能电池的效率的提高。例如,你给我们一块电池,通过我们原位动力学测试诊断,能够告知效率低的原因是什么?哪个界面出了问题?那个材料出了问题等。这一信息对科研和生产的企业是有价值的,这是在研发方面的工作和应用远景。

现在,给大家讲个故事吧,盲人摸象的故事大家都知道,但我想说这样一句话,牵象的人相对这些盲人是个智者,如果没有这个智者帮助,他们要摸多久才能摸出“真象”?另外,科学史中的盲人摸象,你看这四个“盲人”,对角的,爱因斯坦、麦克斯韦和惠更斯、牛顿。波粒两派。这是光的波粒二象性。这个是我的一个优秀学生帮我做的PPT,她写了这样一句话,光既是粒子又是波,既非粒子,又非波等。通过这些,我想说,光的本质是什么?其实我突然又觉得,光也不是粒子也不是波,光就是光。

上面的故事,主要是为了这个片子做准备,先有这个理解,才准备前面几页的PPT。

盲人摸象:

象代表未知事物或规律,

盲人是科学工作者,

摸是探索、方法、工具。

心态重要:争论、探讨、交流、尊重、合作、团队!

其实那六个人如果都互相相信对方的意见的话,是不是他们能早一点就了解真象了?如果让象动起来再摸,是否能更全面摸出真象?

我们认为测太阳能电池里电荷瞬态电荷过程,也相当于“盲人摸象”,我们研发的可调控的瞬态光电测量系统,更像在动态状态下的“盲人摸象”,

其实这个故事就是我今天报告总结。我刚才讲了团队的历史、工作、仪器、故事和感悟、其实,只要你坚持去做,我想总有一天能够更接近真理,既然做太阳能的,我每次用这样一句话结结束我的报告。当你心中充满阳光的时候,我们的愿望一定能实现,谢谢大家!最后,再次感谢佟老师和各位老师这么多年对我们团队的支持。

詹文山:大家可以提几个问题。

张宝文:孟老师这些年与时俱进,我们还停在染料。做了很多漂亮的创新性的工作,因为钙钛矿不稳定,你给稳定了,做了很多工作。然后是给我们这些盲人摸大象做了仪器,很不错。但我就是想说,因为钙钛矿最近这些年非常热,在稳定性上,电池结构,您都做了很多工作。那么现在我们国家大片电池是多晶硅的,因为人家一制裁,因为我们纯度不够,还得国外进口,也有问题。那么您能不能简单用一句话比较一下,染料电池、您这个新型的电池、还有硅电池,就是常规的硅电池之间的性价比和应用前景?

孟庆波:其实这个事情走向市场,性价比是唯一的核心判断,当然你这个材料是不是环境友好啊,也是一个因素,但性价比是最关键的。其实张老师咱们这么多年一直在新型太阳能电池领域工作,确实到了这个时候,我们国内做硅电池做了很好了,为了提高相加比,甚至快到了极限(包括我们自己工人的工资是很低等),这块已经坚持不住了。就差那么一点点。

那我给您举个例子,硅太阳能电池生产厂家的组件拿出来可以是18、19、20,比如20是优质的,18可能就是合格品,19是良品,这个时候如果能把20提到23,把18也往上提,其实是巨大的财富,也降低成本。我们最近发展这个方法,真的是希望是企业拿一块硅太阳能电池片,我们给电池做诊断,能够诊断和评价电池哪个电极没做好、哪个材料没做好,这样对企业有指导意义,根本目标就是为了提高效率,提高性价比。

目前,因为中国人的工资低,达到现在的性价比,已经没办法持续下去了。我想这种电池,其实我这里好几个报告,今天主要是给大家汇报历史和感悟,所以张老师的问题我可以这样回答。在过去,我们以前特别强调硅片,单晶硅这个生产成本,其实这里就有问题了。它走向市场还包括一个管理成本,输运成本,还有占地成本。所以一个太阳能电池,走向市场,所以我要接下来说,一个成本是广义的,一是辅料的成本,一个是地价成本,一个是管理成本、输运成本,当你把所有加在一起,那我们真是走向市场能快一点。所以这个解决方案之一,就是BIPV,就是光伏建筑一体化。假设我们今天理化所,所有的墙、地砖全是BIPV,是那种真正的BIPV,那可能真正解决太阳能走向千家万户就很近了。即使我现在的效率还不能和水电比较,但最起码发出的电当时就用了,并且不需要批地等等。所以需要BIPV一定是光伏太阳能电池,真正实现了BIPV的就是CIGS(铜铟镓锡)薄膜太阳能电池,已经实现了,并且效率是二十几。我也在思考,CIGS假设跟BIPV确实解决了,第二个问题,大规模使用,那镓怎么办?铟怎么办?我从2015年开始布局,重新学习,所以最近我们在这方面也有新的进步,只是我没来得及讲,我们溶液法制备的铜鋅锡硫薄膜太阳能电池已经达到11.6的效率。这是我的理解,谢谢张老师。

张宝文:祝您早日成功。

桂文庄:我想知道,钙钛矿电池现在这么热,它的发展前景怎样?

孟庆波:是这样的,每个电池,包括OPV(有机薄膜太阳能电池),它都有它自己的应用背景,都有它自己的价值。比如有人说OPV不稳定,目前确实不稳定,效率也低,最近陈永胜等效率做到15,也很有意义。其实假设你有一天做OPV电池便宜到什么程度?像农村用塑料布做大棚那样,那是很有意义的。钙钛矿就是要解决稳定性问题。您知道,我最早知道做的钙钛矿的时间是2009年,当时日本也讨论。当时不稳定到什么程度呢?必须把电池摆在架子上,加完电解质后马上测试,我当时说这个太不稳定了,我可不做。所以我2013年才做,我说当时连10分钟都不能稳定,今天做到温度不超过60度的情况,可以到1000小时的稳定。但要真正做到BIPV还有差距。这就是科研的价值啊,假设能解决这个,当然是有意义的,把稳定性解决了,把铅替代了,包括我们最近也能做到10以上全无机的,还是有意义的。

佟振合:钙钛矿这个电池,热了也不是一两年了,好几年了,他每年开一个会,号召近千人参会,做那么热,像这样的,你认为什么时候能用?如果做那么热还要再待个三年五年,我估计就没那么大劲儿了。

孟庆波:佟老师,您说得非常形象。当一个事情发展太快,生命结束也快,比如染料敏化太阳能电池发展慢,周期也长。你做很长时间,能不能用?那不能用了也该停了。以后包括硅太阳能电池,继续规模化,提高效率,降低成本,硅太阳能电池,上帝给的元素硅,其它电池暂时就要挑战硅了(从大规模发电厂成本及稳定性方面考虑),但硅现在的问题,还是不能跟化石能源媲美,没有市场经济的竞争力(不考虑环境成本时)。需要把硅做成真正的BIPV(建筑光伏集成),需要柔性化的硅级太阳能电池。我个人观点,在单晶硅这块,我认为已经快到成本极限了。佟老师我不知道我回答对不对。

佟振合:没问题。

李亚栋:这几年太阳能电池在国内你的研究应该是比较系统的比较细致的,一方面从原来的染料敏化太阳能电池到钙钛矿,但真正,我不同意你的观点。实际上,最终从目前的形势看,管它什么矿,到目前为止,染料敏化基本生命结束了。硅,虽然无锡倒下去了,但常州的已经起来了,硅的寿命和使用已经经过考验了,刚才讲的环境问题、其它问题,其实是我们过去对制备合成的不严格,随着国家环保的抓,这不是问题,这比你做这个问题容易得多。包括今天我不看好锂电池,电动自行车的问题已经出来了,汽车的即将出来,还没到时候,环境的问题不只是前面的问题,所以要整个来看。

做研究,要么你引领国际,做研究你建立方法,这是你已经做的一些,但这个方法并不是你独特的,只有你有的,是把其它方法引进来解决问题,这也很好。另外新材料,并没有中国人什么事,所以要研究,这是研究的思路,要做产业,很显然,包括最近化学所、纳米中心,包括做高分子的高聚物的,这些做研究,但是它毕竟目前还没有谁相信,否则做了那么多年,有公司就扑上去了。现在资本多得很,关键人家要投也是有道理的,主流不做,本来是做太阳能电池,就要太阳能电池发现落不到油水了,做其它了,这其实就是违背了我们。但我们是做研究呢,我供你参考,因为你什么都能做,这肯定没问题,但既然到这个份儿上了,假如我们按照65、70退休,如果在最后还不能做出点什么事,那你就安安心心跑龙套。你说你要做硅电池也可以,硅电池里面的问题,你解决,也是大事,但坦白的讲,这种做法,太阳能电池,什么染料敏化、钙钛矿,包括高分子的,我坦白的讲,这个做做研究,科学院养那么多人,年轻人需要训练。但这不是我们这个年龄的时候,还做这个事,很显然就没意思,作为一个已经成名,做到这个份儿上,我不赞同你刚才讲的太阳能的事情。我们是好朋友,所以犀利一点,供你参考。

孟庆波:借此机会感谢亚栋院士多年来对我在太阳能研究方向工作的关心、鼓励和支持。更能理解您对我们未来工作的期望。可能是我的发言没有讲清楚,其实我们都认为硅是主流,其他电池在大规模发电领域几乎是不可替代的。如果我们能为硅太阳能电池的进步做点贡献(不是直接研制硅太阳能电池),提高它的性价比,实现做科研的最高境界,既为社会服务。这一点我们是一致的。另外,您说您对太阳能电池领域的理解和看法和我的观点不同,是否可以用这样两句话解释:(1)当局者迷,旁观者清来描述;也可以用:(2)春江水暖鸭先知描述。坦诚讲目前,确实无法精确判断太阳能事情发展的未来走向,但最终的决定因素一定是市场。总之,您的坦率、诚恳的评价,对我自己和今后太阳能方向的基础研究和应用开发会有借鉴价值。再次感谢亚栋院士!

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詹文山:这个就讨论到这儿吧,有请福州大学的王心晨教授。


【邀请报告】

 

王心晨:氮化碳光催化

各位老师,大家上午好。首先非常感谢吴老师的邀请,我今天汇报的题目也主要是太阳能转化方面的工作,刚才吴老师、孟老师已经做了非常好的钙钛矿光电方面的报告,我做个补充性的工作。前面吴老师讲得也非常振奋人心的一个进展。那么我们主要就是集中在太阳能光催化材料光催化剂开发方面,我们知道1972年日本教授搞出二氧化钛光电极光解水制氢以来,到2018年近40多年的研究,主要是围绕着金属元素的化合物半导体,金属氧化物、金属氮化物,金属硫化物等等这些半导体材料作为光催化材料的工作。这些研究取得了很好的研究的进展,特别是在过去40年,在光催化剂的研发方面,包括助催化剂的研发方面,以及系统的设置方面取得了很大进展。但目前为止,还没有研制出具有高量子效率的高太阳能转化效率的光催化剂,特别是,这些材料具有很多的金属元素,那么要大规模的应用的话,很难落实。因此在研究这些主流半导体光催化剂的同时,我们也在思考有没有新的材料,作为研究主流半导体光催化剂的结构,功能上有互补性的需求,来进行光催化的转化。

那么我们主要把这个目光投向导电聚合物半导体,那么这类材料,也是半导体材料,在理论上、光照上也可以产生光生激子解离迁移到催化剂表面,诱导发生氧化还原反应,但它们是高分子材料,通常是不稳定的,特别是在强光照射下,空气下,跟水接触下是不稳定的。因此呢,这个材料在光催化分解水研究方面,整整被忽略了近三四十年,大家很少研究这部分的工作。

那么其实这些导电聚合物材料,在其它领域,有机光电子器件包括OLED,场效应晶体管,还有太阳能电池,它已经做了大量的工作,取得了很好的进展,那么在光催化研究方面,还是非常少,第一篇文章是1988年,那么从1988年到2009年,几十年时间是个空白,那么到2009年,我们非常有幸跟德国和日本合作,其实是我的博士后的导师合作,我们发展出了这种二维氮化碳半导体光催化剂。因为我们知道这种,一维这种材料的激子结合能非常高,它的电子和空穴只能沿一维方向传输,重叠度很大,因此载流子的激子结合能很高,大概一到两个电子伏,因此它的激子非常困难直接解离生成自由电子参与氧化还原反应。但如果在有二维的高分子材料的话,那么电子和空穴在二维方向上可以无限延伸。因此以氮化碳为例的话,氧化锌60毫电子伏,氮化碳70毫电子伏。

同时呢,在氮化碳光催化研究领域,目前为止,已经发表了四千多篇的文章,十分之一是高被引文章,所以这个研究领域,目前也是从材料角度来说,还是一个比较热门的研究方向。那为什么是大家都去做呢?因为这个材料非常便宜,碳跟氮合成,非常便宜。现在全世界有60几个国家和地区的科学家在开展这方面的研究工作,从材料来说,并不非常新,从50年前人们就已经报道了氮化碳结构,是最早的合成的高分子材料之一。

那么这种共价氮化碳具有很多同素异形体,跟石墨烯一样。氮化碳这种材料多了一个元素,因此它的同素异形体就更多。在计算机计算上它有很多的拓扑的结构,包括氮化碳的纳米线,纳米环等二维共价,那么大部分的材料合成起来都非常困难。但真正合成,进行完整的结构分析,那么氮化碳材料,在常温下是一个相对的比较稳定的材料。那么它从分子结构上,有三嗪跟七嗪两种结构,在热力学上面七嗪结构更加稳定,但是我们目前的氮化碳材料一般是有三嗪跟七嗪,当三嗪结构有一些盐存在下也是可以稳定的。那么从半导体能带结构来看,它的价带跟导带的位置,跟水的裂解的氧化还原是吻合的。因此呢,它从理论上,热力学上来讲,是可以分解水的。那么这个时候,我们给出的氮化碳的带隙是2.7eV,但这并不是真正意义上的氮化碳,真正高度结晶的石墨相氮化碳,能带应该在1.8到2电子伏特之间。从理论上讲,1.8到2电子伏特之间,如果能够把太阳能全部转化为氢能的话,太阳能转化效率应该是20%到25%之间。因此从理论上讲将来拿这个材料做纯水分解的话,太阳能到氢能的转化效率,100%的量子效率太阳能转化效率应该在20%几,如果量子效率有50%的话,太阳能转化效率应该10%这个样子。因此这个材料理论上,能满足在工业上达到分解水制氢的目的,因此我们需要更加深入的开展工作。

首先把这个材料引入完以后,我们发现存在的问题,首先是高分子材料,结晶度低,量子效率比较低,刚开始只有0.1%。同时它带隙太宽,因此我们主要合成的氮化碳不是真正意义上高度聚合的氮化碳,里面含有很多氢。以及这种光催化反应的机理是什么都不是非常明确,因此我们需要更加深入的这种系统的提出研究。那么近几年来,我们主要是围绕三个方面对这种材料进行研究工作,第一个是分子水平看,来设计这个半导体光催化剂,第二个工作就是为它的这种多尺度和微观结构包括晶体结构、孔结构,形貌等等控制,同时对表面电荷分离进行调控,拓宽分子响应范围,促进电子分离,强化表面反应动力学过程这样一个目的。

这个是氮化碳一个非常经典的制备。

其实石墨相氮化碳的合成,除了氰胺,还可以采用一些非常常见的前驱体,包括我们可以用尿素,非常便宜,烧完了变成三聚氰氨,三聚氰胺进一步聚合成氮化碳,或者无机物硫氢酸氨,那么硫就脱掉了,所以很多的物质可以生成石墨相氮化碳,也说明结构的稳定性。

利用这种化学方法合成光催化剂有很多优点,就是我们可以在分子水平上,从有机化学角度对催化剂的组成结构性进行调控。那么另外一个例子,把两个共轭结构接起来,那么接起来以后,光吸收性能就得到提高。那么如此之外,我们可以开发出很多的单体,那么这样子,通过拓展共轭结构,来提高性能,因此这是一个非常普适的方法。这对于传统的无机半导体是很难利用这种在分子水平上调控的一个办法。除此之外,还有非金属的掺杂,比如说用硼,碘的掺杂,提升光催化的性能。

那么多尺度调控方面,我们传统是采用高温的缩聚法,500多度,块状的材料,基本没有多少表面的活性中心。那么为了解决这个问题,我们采用具有纳米结构的二氧化硅作为模板技术,包括SBA-15、SBA-16。那么在酸性条件下,合成出来的氰胺就比较稳定,如果是碱性条件下何成的,这个时候氰胺接不上去,一烧就变白色。

我们还可以用空心球的结构,把氮化碳也变成空心球结构,通过折射反射提高光的利用效率。因此呢,我们就可以提高它的光催化的量子效率。通过对比同比表面积一个有空心结构,一个没有空心结构,我们看到它空心结构破坏完以后,光催化的产生效率急剧下降。所以空心结构对光催化是一个促进作用。那么为什么要合成空心结构呢?其实我是想在纳米空间上,把光催化水还原成氢,和氧化反应生成氧气分开,因为如果这两个反应活性中心靠得太近的话容易发生逆反应。那么这个时候要抑制逆反应的发生,最好把这两个办法分开,这样子就能有效的抑制光催化全水分解的逆反应,实现全水分解的过程。通过纳米结构设计,采用了一系列的办法,实现全水分解的过程。

我们做了对比实验,你要实现电子和空穴的快速分离和定向转移,我们大概100纳米,如果厚度降下来,降到10到20纳米的话,对纯水的分解非常显著,但非常困难,因为聚合物材料很难做出非常薄的。

那么第二个工作,来合成低温条件氮化碳,我们的氮化碳,本质上讲是高分子有机的物质,我们非常希望通过有机化学的手段进行改性。但它合成的过程当中,温度特别高,很多有机反应没办法有效的利用,这个时候我们要去开发一种相对低温条件下,因此利用三聚氰氨和三聚氰胺在乙腈的条件下合成石墨相氮化碳纳米棒,也确实能够把结构合成出来。

那么下面是发展水溶胶,气凝胶结构,那么这种材料,确实是能够很好的光催化产氢,产过氧化氢。我们知道现在氮化碳最大的问题是导电性的问题,氧化锌是个导电基底,电子快速的转移,因此我们这里面把氮化碳覆盖有尖端的氧化锌,可以做出高分子材料的光电流能达到0.4毫安每立方米,这是非常高的数值,特别是对于高分子材料来说,那么这个反应是AM1.5标准条件下做的,后面还可以有一些其它的进步空间。

刚才我讲氮化碳材料,理论上都是(melon)的结构,因为脱氨不完全。因为没有采用溶剂作为介质,是一个反应动力学受限过程。那么为了促进这个过程,要找到一个溶剂来促进聚合的过程。那么在高温下500多度,我们想利用氯化钾和氯化锂这样的熔盐,大概烧到350度时候就变成溶液了,这样子形成高度聚合的石墨相氮化碳结晶度非常好,因此作为光催化产氢的效率达到50%,聚合物的高结晶度非常非常重要的,像高速路一样,让电子快速的迁移。

这个材料,我们可以作为全解水的材料,三嗪结构的氮化碳,在氯,锂条件下,这是非常稳定。那么最近我们做了很多分析,非常清楚的看到原子结构。用来做全水分解,目前的效率还比较低,那么接下来就是我们采用一些修饰,来促进催化剂表面的电荷分离。我们的目标,10%的太阳能转化效率,其实刚才的东西已经足够了,更多的可能还是要控制电荷分离,因为在光催化反应中将近90%几,或者说99%的电荷都被复合掉了。

另外一个办法,利用助催化剂,因为光分子本身没有光催化产氢产氧活性中心,这个时候我们就应该利用一些辅助的办法,比如说用产氢助催化剂,或者是产氧的助催化剂,包括吴老师讲的分子,来促进提高反应速率。那么氮化碳也是一个层状材料,我们发现当使用浓度比较低二硫化钼的时候,它的效果还要好。二硫化物有一部分被氧化了。

那么最后一部分,就讲讲氮化碳在有机选择性的应用。因为从我们的感觉来说,做成器件以后进行全解水反应,太阳能转化效率0.4%左右,所以还有很长的一段路要走。对光催化有机选择性合成,理论上讲,相对比较容易实现。但传统的二氧化钛,由于价带非常深,在水中要实现二氧化钛的有机选择性非常重要。但对于石墨相氮化碳来说它的空穴不能直接氧化羟基自由基,但它的电子非常容易,氧化氧气生成氧负离子自由基,因此它是非常温和的光催化剂。到目前为止,我们做的一部分地方可见光过氧化氢实现的有机物的转化过程,包括德国的机构。

特别是这里面它有什么优势呢?传统采用非常贵的催化剂,高温、高压。利用光化学的方法合成,这可能是一个很重要的一个方向。除了研究的二元氮化碳,我们近期也开展了硼氮碳光催化剂光催化有机选择性的合成。我招了一个博士后,他们做很多的这种有机的反应。然后氮化碳,因为它氧化还原可以调控,因此可以适宜很多的有机化学反应。那么在研究氮化碳的同时,快速的进一步的拓展材料,光催化产氢,同时也可以光催化产氧,将来用高分子材料来构筑,进一步实现全水分解,电极体系,都是可以实现的。研究光合成本研究里面,有机半导体里做出贡献。

1984年还是1989年的,我们用聚苯作光催化剂,效率低,不稳定。一直到2009年,基本是空白的。到了2009年,我们把石墨相氮化碳引到光催化领域,刚开始效率也是非常的低。但是我们通过各种物理化学的手段的改性,可以提高到50%左右。那么第二到第十四是近几年发展起来的。这两三年之内,是有机半导体新的一个研究的方向,充满了机遇和挑战。近期我们把氮化碳材料在环境治理方面进行拓展,那就是传统的这个脱硫,是工业挥发有机硫,以前都是直排,现在不能直排。那么传统的脱硫是用碱来脱。对于氮化碳,我们可以通过一系列的操作,把有机硫转化成硫化氢,通过硫化氢选择性氧化,剩下的有一些光催化的方法,进行深度的转化,实现氮化碳脱硫的工作。

最后总结一下,这几年来,新的体系,针对存在的问题,我们通过各种物理、化学的手段对它的体象、表面进行修饰,提高它的性能,同时还拓展它的二氧化碳还原,有机选择性,以及在脱硫方面,同时我们进一步拓展了其他这些高分子。我的汇报到此结束,感谢基金委、科技部、教育部对我们科研的支持,也感谢佟先生、吴老师对我们一路走过来不断的长期的关心和支持,谢谢大家。

詹文山:咱们先就他这个报告提出问题。

佟振合C3N4,真的能做成单层的吗?

王心晨:单层可以,它可以剥层,然后也非常薄,但产量挺小,做完以后不断的离心,表面层上找到。

佟振合:随着层数少,带隙变吗?

王心晨:变,会变大。

詹文山:石墨烯不就单层吗?氮化碳怎么样?

王心晨:也有这种可能,但要化学结构完整,因为里面搀杂的过程不可控,位置不可控,从化学的角度,从结构单元设计好了,因此它就形成结构、周期性,相对比,石墨烯有一种杂质,没有形成连续的能带结构,不是特别稳定。

李亚栋:两个小问题,第一个是你反应那块放在前面,有什么特别,最早讲这个?

王心晨:这个工作早期我们做的。那个时候做氮化碳,主要还是因为导电性不好,用这个碘,还有钠,用碘的话,氧化的话,调节就能得到几个数量级的提升。那我们受这个启发,也想用这个方式。

李亚栋:这个东西本身,岩石、荧光材料里面是一个重要的材料。还有一个,你们做C3N4,实际上最早发现这个材料是你们这个组?

王心晨:这个材料不是,但是做到光催化是我们最早发现,这个材料,早期1834年的时候就发现。

李亚栋:现在大家可能不看好,但有可能是个非常重要的在光催化,最后我再就是说你那个C3N4,我们可以完全把它用金属来取代,变成金属碳3氮4,现在最大的问题,做不出单晶,这可能就是个金属。你可以放最后一张图,现在最大的问题,就是你要么是拿单晶,哪怕就一个小区域小片断,能做出来都行。

王心晨:这个很难啊,因为它的结构就是靠氮把它稳定下来的。

李亚栋:因为这个氮是跟其它三个碳成建的,然后金属,三个碳成建。

张宝文C3N4整个范围能拓展多宽?

王心晨:六七百,全部吸收。

张宝文:那现在制约它实际应用的是什么?

王心晨:导电。因为催化反应要跑得快才能效率高。

张宝文:现在量子效率最高能到多少?吸光范围又好的。

王心晨:那没有,比较难,在420纳米单射光最高60%,再长了就很低了。因为它长以后,氧化还原,能力就变了。

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詹文山:下面进入沙龙的讨论,前面几根报告的问题可以一起讨论,请大家自由发言。


【讨论与交流】

 

李亚栋:三个精彩的报告,非常有特色。因为光解水的路相对比较漫长,你又是做有机的,所以我倒是建议你适当的把这个光化学跟有机化学结合。因为在它的这个过程,比方说加氢反应,为什么用贵金属?是解离,形成新的自由基,然后还原。我们做的过程里面,其实就是没有加贵金属,结果这个体系里面,有这个比方说硝基或者是醛基,就全还原了。我就讲,很多的这类的反应,有意识的设计这类反应,比你在光解水里面,这个做成了,肯定是能拿大奖。但现在看来有两个问题,第一个,你的基础研究的挑战是什么,并没有找到真正的问题,找到一个新的材料,然后这个材料再发展,这是一条路。另外一个,我往应用上去,工程技术上,光解水的效益,现在光电转换达到20%,电解水,达到50%。原则上讲,只要不用掰手指算,简单看,肯定要做,这是一个很好的方向,作为一个组,你发展了,你有特色,但目前眼前的目标,一两年范围内,最起码我认为你上院士之前,你不能脱离你的有机,我觉得一个是做你的光催化材料,能够比别的高,这是有机合成里合成的东西。第二个,你要把你这个东西跟有机反应去结合,实际上这一类,刚才心晨这个,如果不是双氧水,光解水产生的氢和氧,因为开始产生的是自由基,变成了氧气,两个氢的自由基,变成了氢气,我觉得你把这个旗帜举起来,在有机化学里的光化学、光氧化、光还原。因为你现在不一样了,对不对?佟老师上来那么长时间了,你一方面,光解水,设计光解水的新材料。另外一个,有机方面,你把光化学反应、氧化反应、还原反应,从小到大的,有说服力,否则万一碰到竞争的时候,别的做有机的人说你慢慢的偏离了,不是有机了,那就在哪一天,我就在想,确实工作也很系统、很新颖,这个工作,上次也走到了差一点点的边缘,有机的人假如说声望一起共同的促进,下一步我觉得你拿一部分力量出来,一点建议啊,先把这个问题解决,像孟庆波讲的,先解决吃饭的问题,因为你现在不是解决吃饭的问题。

这个地方你要从光解水,离应用还有一定的距离,我个人理解。但是要在合成化学里面,独特的,因为有一些既不能,因为刚才心晨的两个苯环,脱氢,其实我们用到的,假如说这个东西能做,这就是有特种合成里,药物合成,苯环要脱氢的时候,别人做不到的,你做到了,所以我觉得你还是应该把重点的压到这里来,即使碰到一两次有障碍,你肯定能上,但你偏到那边去了,两边上不了,说不定渐行渐远。我们是好朋友,说话也无所谓了,包括我们郭老师啊,好不好。

佟振合:今天沙龙的主题还是能源,能源确实很重要,咱们21世纪人类面临的十个问题也好,几个问题也好,总是把能源放第一位,环境放第二位,随后才是什么粮食问题、水的问题、教育的问题、战争的问题,民族歧视的问题等等,但始终把能源放在最前面。

咱们现在用的化石能源,因为我在外边也经常开会,包括石油部门,这个化石能源确实有很大问题,第一是不可持续。但现在想起来,也不像过去有些人嚷嚷的那么邪乎,总是说化石能源,石油、煤、天然气再用一百年,最乐观的估计两百年没了,好像也不是那样。因为完了以后,现在又忽然有个什么甲烷跟水的可燃冰,忽然有个页岩气。现在咱们国家的页岩气储量总和超过美国,但是我们有个很大的问题,矿层不好,非常分散。我们现在的技术已经够的,往下打几百米深,要把岩石挤裂了,这个技术,我们国家完全可以做到。但可惜的是,页岩气不能连续供应,你钻了半天,出来一些气,但你要想再出更多的气,还得钻井,这是个问题,希望将来探明的储量越来越多。

咱们烧的煤,储量是最丰富的,但煤最大的问题是污染。咱们国家90%以上的二氧化硫都是烧煤产生的,80%的二氧化碳是烧煤产生的,还有70%多的烟尘也是烧煤产生的。这个问题很大,但现在也在改进。你像呼伦贝尔,咱们底下那个矿,都是露天的,很浅,盖得很好,根本就看不见,把出来的煤封闭的管道马上发电了,因为集中发电,所以这些二氧化硫什么烟尘啊,也就没了,但是二氧化碳,还是排到了空气中,这是一个问题。

石油呢,是咱们最头疼的。我们现在一年要用掉五亿吨的石油,咱们过去强调自己要生产的两亿吨,进口不要超过三亿吨,但现在已经超出了预期。现在大概76%左右是进口的石油,现在是和平时期,就把过去的概念换一下,趁石油便宜的时候大量进口,但是进口的石油需要储存。前几年开过一个会,讨论进口石油储存在哪。有人提出来,可以灌到洞穴下面是岩层里,需要时再开采出来。但是这些洞穴都在内地,石油进口一般在沿海,有这个问题。现在也提过,因为进口的石油,六分之一用在化工上,能不能用煤化工代替石油化工,把六分之一就省起来了。煤合成石油、煤变成化学品,这个咱们大化所做得很好,是一个很好的途径,可以将煤变成甲醇等,将来要发展的一系列的技术都很好。

但所有的问题,都解决不了温室问题,所以现在最好的能源,一个是太阳能,因为唯一的可再生的就是太阳能。你说核能,核能是新能源,不叫可再生能源,因为用了一些核燃料,用完了也就没了。很多人认为核能是很好的能源,搞能源的人,一说核能,因为那个(核能)质量很高,那个密度又大又什么的,而太阳能,你的密度却很小。

现在太阳能呢,大家提出来,总体来讲有四个用法,其中一个是将太阳能变成热能,就是太阳能热水器。这方面我是感觉我们国家这方面投入少,比欧洲等国家投入得都少。太阳能真的变成热能,用处很大的,可以在家里面烧饭、洗澡什么的,占的能源部分也不小,技术相对又不是太难,这个咱们比人家差。

还一个,所谓太阳能发电,这个产业我们做得相当好,前几年说的太阳能发电在敦煌、甘肃这样的沙漠地带,太阳能发电好用,实际我去年从临沂到连云港,沿途那个地方,农民不种地了,地里全部弄成太阳能电池,发电卖给国家比种地赚钱,所以现在太阳能电池已经是非常普及了,使用的也是新型的太阳能电池。

还有一个,嚷嚷得很厉害的,把太阳能转变成化学能以后储藏在生物质内。这种能量储存方式,对于我们学化学的,将来可能还会有很多用处,因为光合作用产生的生物质,相对的比光解水什么都好用,所以下大力气把这个做得简单一点,用那么多。

还一个,氢能。听起来比太阳能发电要远得多,但也不像过去。现在的技术发展得很快,我们前几年的搞胶片,后来突然用了数码,现在人们外出都不带相机了,手机就够了,现在技术进步那么快,氢能也会发展得很快。氢能一个很大的优点,就是氢烧了以后变成水,水用太阳能分解又变成氢,变成整个的氢循环,我们现在的是碳循环,碳循环才有温室气体。第二个,氢能,把这个燃料给现有的发动机用都可以不用太多的来改进就可以了。但是这个氢能,比起太阳能和电能,现在没有进展那么快,但电能有个问题,就是说要储能,储能除了咱们的蓄电池、各种锂电池,一个很好的的方法就是变成氢能储存起来了,将来大量的利用,也不是很远。现在有好多小国家,他们生活得很安逸,那都是禁止烧石油的,烧氢,开车的冰岛什么,全是变成氢能了。咱们国家也嚷嚷要建这样的氢能公路,说从上海到南京,所以这里边沿途有没有相应的加氢站的建设,可能是最现实的,你这个地方化工工业发展,氢能边角料现在还没有找到用途,那个公共汽车可以用的,因为公共汽车绕几圈加一次,这个提议还是很多的,大家可以往这条路发展。

还一个,氢能是通过燃料电池燃烧的,比起现在用的内燃机效率高,现在如果是真的用燃料电池,就没这个限制。所以现在氢能的发展,还需要各个国家投入很多科研经费,不是那么快,但也还是有它的发展前景,还是很美好,所以大家才去研究,各个国家投入那么多钱来做,现在咱们国家也投入很多钱了,国家层面、科学院层面、基金委层面都投入,相对的还是很热的,大概这么个状况。

詹文山:氢能,还是用的燃料电池吧,直接用氢发动机还是比较少。

佟振合:燃料电池的效率比较高,烧甲醇也可以,烧氢气更好,甚至烧甲酸都可以。现在问题是什么呢,这个电池里面,要用一个Nafion膜,前几年突破不了,现在能通了,这是一个隔膜。还一个,燃料电池里必须要用铂催化剂,过去用量很大的,一台发动机要用十克的铂,地球上存量的铂都不够,现在要把催化剂的量降下来,一台发动机要两克三克。还有阳离子的,但那个效率没那么好,所以这个燃料电池也是大家做得很多的。

张宝文:我接着李院士和佟院士说几句。今天说的是能源,实际上氢被称为是人类的终极能源。一百多年前法国一个科幻小说家凡尔纳说在将来,他想象当中,能够用水做燃料烧,那现在已经有一点点实现了,骊珠选的这个方向我觉得很重要。但李院士刚刚提出来这个,我觉得骊珠虽然已经很累了,但还是应该布置一部分力量在光合上,其实她做了很漂亮了工作,因为今天讲能源,她没说,就是不如这个多,就是你双方向都做,刚才李院士说得很清楚了。我就说这些吧,布置一些力量去做,因为那也是你的强项。

吴骊珠:我回答李老师、张老师提到的问题。这次报告的组织是科协各位老师去年在科协去争取下来的,从太阳能利用的角度来说,怎么样来做这个,从能源的角度来说,所以这几个报告,一个是我们做反应本身涉及到的一些问题。另外,从电池的角度,现在已经商业化了,如果和电池直接去关联,原则上是很近的一条路,所以孟老师在电池领域做非常好的工作。那心晨呢,他在日本Domen教授那边做分解水,Domen教授是做这块工作最优秀的,也是世界上最有标志性的研究组,心晨多年之前在他那做博士后,后来去了德国,发现氮化碳在光催化方面的应用,咱们还有很多其它应用,但是就是说在催化、分解水这块,应该说心晨是最有代表性来报道这个,这个论坛,原则上是各位老师,从这个主题上来说,选择的这个。

那么从应用的角度来说,李老师刚才说这个问题,都是有一些,就是从远景来说很好,从能源利用来说也很好,但如果真的把它分解水,做到氢,这个从科学意义来说,是值得做的,因为本身就是个能垒很高的反应,用化学反应方法是很难做得到的,如果用光的方法,利用太阳能的方法来解决,这个从科学意义来说,李老师经常说这是哥德巴赫猜想的课题,如果把这个做完了,真的是很好的。

那从科学意义来说,这个反应能不能做?结合应用的角度来说,再往下做应该是什么样?我觉得李老师刚才讲这个,我们看到整个自然界的环境,就是个光合作用,可以把低等的分解水产生氢气、放氧,但我们的粮食作物,生长过程,都涉及到合成,你那边对碳的固定,这边产氧的进行,都是在光合作用下进行的,所以我想李老师您说得对,因为今天的主题是论坛选定的,今天的主题要围绕转化的过程,但从有机合成的角度来说,包括您刚才讲的芳构化的反应,脱氢的反应,应该说我们在2004年的时候,就已经可以做到最简化的合成比例,副产物是氢气,所以从合成的角度来说,它对药物或者是对很多这些方面来说,也和现在的有机合成是不太一样了。

总之就是说这个领域里,可做的东西很多,今天也有好多学生来,就像您刚才说的,每一个课题都有一个训练的过程,但最终我们到底路在什么地方?或者说从分解水的角度,或者从产氢的角度来说,最后是不是有可能在工业体系当中得到应用?因为我最终看这个材料是很震撼的,因为过去说燃料电池,真正实现产业化,或者是能够真正用上,还是有很远的距离。

比如说丰田汽车,他们是打算公开燃料电池使用专利,这样的话,大面积的很多地方都会用,但燃料电池的氢氢能的来源,现在还是从化石燃料来的。如果说能从另外的途径,第四条途径,现在是有甲烷重整,就是煤化工的水蒸气这样的重整,还有就是电解,那么要能从光解水中来也是很好的。就是在现有的车的装置不变的情况下换用氢能,有没有可能?

张宝文:有,好好做,总有一天,不知道哪就突破了,很多事情变化这么快。所以有些看着没谱的先进的地方还是要跟上,我感觉。

郭林:我也同意李老师的观点,现在不管是太阳能电池还是有机太阳能电池,每年都有突破,最后都去弄后边的效益,都不能用。因为北航是工科院校,太阳能转换效率不一定10%升到12%,而是把10%稳定用上,可能比更高效率的突破更有意义。我们那边有个黑格尔研究院,对他们有机太阳能电池,今年9.1%的效率,明年10.2%,后年13%,每年都在往上走,国内最好,国际如何如何,但做着做着,总是往前走,后面的事儿都放下了,一直在追求效率提高。包括很多专家项目,做完了15%也好,20%也好,没有手指甲那么大,搞基础研究是可以的,但完全是追求效率,而不是把已有的成果巩固转化成实用,可能盲目的追求效率也不是一个好的趋势。我大概就说这两点。

李亚栋:我刚才讲的比较激动,其实做什么事情,关键是你要找那个里面,比如说科学上,要突破的地方,但我听了以后,他并没有找到问题,做应用是应用的问题,做科学是科学的问题,你两个地方都没找到问题,你工作很好,也很细致,但你找到一个大问题,你突破小问题没有意义,就是说你改进一点,你都逃不过日本人、英国人讲是他们先做的,所以你怎么做?要么你就用新材料。现在都还没达到,因为那些杂志为什么要发表,不能让这个领域死掉,这是个代表性的领域,时常要刺激一下,不是说这东西到了那个水准,你看有些文章并不是到了那个意义,但是顾问委员会有个共识,这个方向不能死掉,担心年轻人不往这个方向跳,就像张老师讲的,优秀的年轻人,当时钙钛矿不也这样嘛,但能不能用?就像佟老师讲的,做了这么长时间,其实不是效率问题,是稳定性问题,谁解决钙钛矿的稳定性的问题?并不是效率,也不是成本。

佟振合:一个是稳定性,一个是大面积制造。现在年轻人做电池的,你要不是钙钛矿,基本上发不了什么好文章。

李亚栋:你看有些文章,效率一下子提高了100%,50%,那就是重要的进展,不是说一定要全新的,有这个招,改变了这个招,或者改变了这个招的道理在哪,这方面也行。当然我主要是对后面的学生讲。

林哲帅:我主要是做计算模拟,机制分析这块的,所以我可能对科学这块,可能是比较熟悉,但对工程,的确是都没有怎么关注过,这次来学习到这个材料如果要真正大规模应用,科学问题只是其中的一部分,怎么能够解决它的稳定性?怎么降低它的成本?这些我觉得还是很重要的一个事情。

另外刚才李老师说的,我们做科学,怎么能够找一个方向,不要跟着别人做,我们自己要有一些独创性,这样的话,可能会对提升我们整个不管科学也好,或者我们国家的整个科学水平,会有好的帮助吧。谢谢。

王树涛:我也是来学习的,最近在准备先导那个材料,凡是利用光能的,我觉得是人工光合作用的一种变体,提供能源。

整个社会上现在用的,国家推得最多的就是锂电,电池、电车上了之后,对于太阳能电池,刚才李老师说了硅的问题,这儿怎么突破?昨天晚上我们一起写本子的人还说,说咱要是能像庄稼一样,我做材料在这儿放着,太阳能在那晒,它就能连生成带存储,将来能不能成为燃烧值最高的分子?或者说我用光的催化合成的反应,生成这个材料,它就是一个燃烧值最高的,那好了,我可以解决石油问题了,合成一堆材料放到那就可以了,这是比较理想化的,我就是瞎想。

那天听了他们做飞机燃油的,不同的化合物就差一点,有的键能燃烧起来差别就特别大,如果光合成能够在这儿有些东西,可能不同的思路,我是正好听了那个老师讲的,瞎想了这些东西。我感觉李老师讲的,现在我们在做的事儿,找两头,你真的找到科学问题的突破点,或者真的是个大的科学问题,尤其是做到一定程度后。可能刚开始像孟庆波老师讲的,刚工作时你得吃饭活下去,或者立足也好,可以下点小鸡蛋,但一定程度后就得找个大问题切进去,要么做应用,我把这个推到最适用的方面去,这是收获挺大的两点。

佟振合:王树涛很有想法,做得很好。

詹文山:年轻人再说说。咱们所搞清洁化嘛,好像南方发展的比北方还要多,他们已经在做液氢的站,已经在建站了,做氢的系统,那个地方有个氢气利用的一个站,储存的问题,罐的问题,现在已经也开始在做储氢罐了。氢的发展,可能还是比较快,但是真正要想应用的话,我估计还得五年十年以后。现在电池那块,现在相当成熟,第一代电池五年到十年才真正推广,二代电池还没起来呢,第三代电池,全固态电池已经装车实验了,我估计也得十年以后的事儿,中间问题太多了。那个膜就出不来,刚才谁讲的,燃料电池的膜也是出不来。等它全部都稳定了,批量生产了,我估计那些都五年十年以后的事儿。氢已经开始动了,我估计也起码是十年以后的事了。2000年,我到德国汉堡博览会看,那个时候他们已经有大巴的燃料电池车在那展示。国内已经做的也错多了,但你可以完全不要膜了,但是效率上不去,所以没办法还得加膜。

所以氢的利用的话,我估计你现在不跟不行了,但推广起码十年以后的事儿,都在弄,还刚开始,一千辆车在汽车里根本不是数,一般一个采购只要一辆汽车,一般得十万二十万辆车,才能行的。

李亚栋:詹老师,我宏观的看,电解水产氢供应汽车工业的事,我不看好。为什么?我们的氯碱工业,不是也是产氢气和氯气嘛,氯化氢嘛,但实际上,真到大量的用,我就不讲铂的燃料电池或者是替代铂,现在我们讲电解水的问题,过电位,效率,但没有谁讲寿命或者成本,这是一个相当长的一段距离,不是十年八年解决的。还有页岩气,液化气、炼油厂,那都是万吨级的。指望电解水,我说实话,不太乐观。但真的,电解水做氢气,这肯定不是出路,毫无疑问,想都不用想。

詹文山:后来的话,因为现在风电发出来的电是不稳定的,这是第一。风能电解水,你不稳定嘛,不稳定跟我没关系啊,所以有的时候一些想法啊,超乎我们想法的。

李亚栋:不是电往哪去,我们晚上空转的,浪费的多得去,美国为什么不存在这个问题?灯常开着,耗电怎么样,其实不耗着也存不了。

詹文山:南方七八毛一度电吧,到低谷的时候就两毛钱。

佟振合:电能的储能做得就更热了,现在哪个国家都需要。你看咱们这个电怎么用,像三峡水电,我们是白天下来,发电了,晚上那个电再把水抽上去,因为抽上去以后还有势能,还能变成电。我们隔壁的电能所有个很大的转盘,惯性很大,晚上通上电转,白天电一停,还得接着转,转的时候又发电,这样来储能,所以储能是一个很大的一个问题。所以现在呢,这个氢能存在的一个原因,大家认为,你是可以把氢气储存起来的,这也是一个。

桂文庄:今天讲这个事儿,还是蛮重要的。我记得好多年以前了,大概是15年前吧,我们院把氢能作为重要的发展方向,当时部署的能源部分,氢能燃料电池是作为重要的方向。那个时候,因为感光所,在我脑子里,肯定和氢能会有关系,但好像你们那时候没怎么参与啊。大化所燃料电池做得不错,电工所也参与做燃料电池汽车。我记得二零零几年的时候,北京市公交,已经做过燃料电池大巴试运行。但一直解决不了的问题就是佟院士讲的,离子交换膜一直做不出来,最近几年大连化物所做出来了,再一个就是贵金属,这个问题解决不了。

所以现在是找替代方案,如果这些方案解决完了,燃料电池的问题,解决得好,肯定对氢能发展绝对是有利的,所以现在脖子卡到燃料电池这儿。再一个储氢的问题,储氢罐材质的问题,放氢的问题,所以这个将来要发展起来,真是一个系统工程,各方面的事情要考虑。

但我觉得,今天我们讲的很重要的是,吴老师讲的,她从自然界的光合作用出发,分析它的机理、材料,最后模拟光合作用,我觉得这个方向也是非常好的。刚才李院士讲这个,实现的时间还挺长,对一个课题组要出点大成果来说比较难。但从我们科学院布局来看,从国家的布局来看,这个事情一定要做,极有可能氢能会成为未来的能源的一个主要的方向。所以这个事情,我们不部署是不行的,我觉得从科学院来说,先导项目,十年二十年也是先导,三年五年也是先导,可能是远一点的事儿,但一定要有一个系统的部署。我头一次知道理化所在这方面做了这么深入的工作,因为我过去,去看能源工作的时候,植物所,也搞光合作用,也做这方面的事情,但是真正能看到,有一个能够完全人工模拟这个光合作用的系统能出来的,还是你这个,非常好。

今天的整个的报告都是非常精彩的,都是很前沿的东西,虽然第二个报告好像有点发散,但我觉得也谈了很多好的思想,也是这方面很热的事情。

但我觉得我们还得讨论将来对我们研究有重大指导意义和将来我们要能够集中力量干的事情。有些很长远的事情我们要布局,有些事情一步一步去干,你就得去长期的去研究一些对未来有重大影响的事情,这才能做出大成果。

詹文山:谢谢佟院士、李院士,谢谢王教授专程来参加会议,谢谢各位专家提的要求,我们继续努力,别的没什么,谢谢大家。

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