中国的科学家陈忠伟院士是浙江金华人，早年研究主要在国外。2016年，陈院士如愿回到家乡金华，专门攻克新能源问题。他还在金华创办了一家专门从事新能源研究和材料生产的公司。
以下是《年度得到·孙亚飞材料科学前沿报告》主理人——化学工程师孙亚飞对陈仲伟院士的专访：
陈院士表示，氢能源研究在二十多年前就开始了，但具体到应用上，把氢气开发成商用的氢能源，难题真不少。
首先要解决的，就是氢气从哪儿来。
一个可行的思路是，用金属铝和水的化学反应来制取氢气。但这种方式操作成本太高，会浪费大量的电能。
另一个方法是利用太阳能，但是直接让太阳光从水里分解出氢气，效率非常低。
对此，陈院士团队的解决思路是，将工业废气转化为氢气，这样既可以减少废气排放，同时又能对废气再利用，是一种比较高效的做法。
氢气找到了，接下来就是怎么储存它的难题。
一般容易想到的是储罐，比如像液化气那样，用高压，把气态的燃料液化以后，储存在罐子里的。但问题是，用罐子储存氢气非常困难。
氢气很轻，也很难像液化气那样转化为液体。为了让氢气的储存在罐子里，氢气罐的压力普遍要做到大气压的300到700倍，是普通液化气罐的12到18倍那么高——就是每一块指甲盖大小的位置，都要能承受一个成年人体重的压力。
除此以外，氢气的渗透能力很强，可以沿着它接触的罐子内壁，往外扩散，加上它又是一种易燃易爆的气体，一旦泄漏，后果不堪设想，所以储存罐的材质就得用特别耐受的金属。
但问题又来了。氢气还会和一些金属发生反应，比如钛合金，虽然我们都说它性能优异，但它就是怕氢气，一旦和氢气结合之后，就会特别脆，不堪一击。很多金属，比如铝合金、不锈钢等等，也会有这个问题。
对此，材料科学家们研发出了一种特种钢，也就是一种多金属熔合的合金，用这个特种钢做的罐子，可以储存氢气。如此，储氢的问题也能解决了。
虽然制氢气、储氢很困难，但是所有这些困难，都比不上把氢气的能量转化出来更难。
这个难，不是说科学家们没法把氢气转化为动力，而是科学家们想把氢气百分百转化为动力，特别难。
我们知道，汽车前进需要动力，动力来自于汽油燃烧以后的产生的热能。热能再带动机械装置运动，从而驱动汽车行驶。但是汽油燃烧后的这个热能，很多都没有转化成动力，而是变成热量消耗掉了。真正转化成动力的，一般只有30%左右。
因此，如何提高氢能源的利用率，不让来之不易的氢气白白浪费，是摆在科学家面前的新难题。
科学家们找到一个比较好的方式，就是把氢气做成氢燃料电池。简单来说，就是控制氢气跟氧气的化学反应，不让这个过程发热，而是发电。再通过电机，把电能转化为动力，这个转化效率理论上可以达到100%。
也是因为这个原因，在最近这几年，氢燃料电池受到了热捧，很被看好。
目前，氢燃料电池在国内的试验已经开展了约二十年，甚至有不少地区已经提前规划了加氢站。但是，因为技术条件的限制，始终没有进入正式的商用阶段。
氢燃料电池，如何从实验室走向商用？
2021年，氢燃料电池终于突破了卡点，在商用上迎来了爆发期。这里面的关键，就是科学家们用到了能量转化需要的膜电极材料。薄膜的“膜”，正极的“极”。
膜电极材料，可以简单理解为是一种膜和电极的组合体。膜电极对于燃料电池而言，就好比芯片对于手机的作用。
它是把氢气能量转化出来的大杀器。
要理解这件事，需要先知道什么是电极。
电极材料扮演的角色非常特殊，它决定了电子的流动。在电池中，电子流动形成电流，产生电能。要是电子互相之间起了冲突，那能量就白白耗散掉了。一句话就是，电极材料决定了电池是否能够具备放电的功能。
没有电极材料的电池，电子之间不仅没有流动，还起了冲突。
对此，打个比方就容易理解了：比如说银行里有两个人在排队，一个要存钱，一个要取钱。两个人一合计，让想存钱的这个人，把钱给取钱的那个人，那两人不就都不用排队了吗？
——真要这么干了，那就是财务纠纷了！钱都给了取钱的人，存钱的人可是血本无归啊。
所以说，电极材料好比是银行柜台。柜台接到两个人的诉求，按手续处理以后，钱就流动了起来，也不会出现矛盾。
那膜电极又比一般的电极特殊在哪儿呢？
这种电极要能够让氢气变得更活跃，这样才能发生反应。
之所以还要给电极加一层膜，是为了让氢气在经过反应，转化成氢离子后，还能够通过膜，最后和氧结合，生成水。
但无论是膜，还是电极，其中所用的材料都需要经过严格的筛选。
在过去，电极几乎只能用昂贵的铂金来制造。而膜材料，虽然也找到了研发方案，但是产业化进程很慢。
陈院士的成果，突出就在于不仅降低了材料的商用成本，更是把氢燃料电池的电能转化效率，一下子提到了75%以上。这比传统的汽油内燃机，要高出1.5倍。这个研究，不仅攻克了理论难题，还解决了产业难题。
在基础研究方面，他在今年开发了一种以镍为主要材料的膜电极，不再需要铂金，并且能在海水介质中应用氢燃料电池。
而在产业推进方面，陈院士开发的膜电极材料也迎来巨大突破，已有城市和他的团队达成合作，决定商业化应用氢燃料电池。
我们国家现在主力推动碳中和，也是促成氢燃料电池突破技术瓶颈的关键动力。所以，我们有理由相信，随着碳中和概念越来越具象化，氢燃料电池的落地也将成为趋势。
END
网友评论