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小木蟲論壇-學術科研互動平臺 » 專業(yè)學科區(qū) » 能源 » 新能源 » 用“化學鐵鍋”燉出“硬菜”
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yexuqing木蟲之王 (文學泰斗)
太陽系系主任
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用“化學鐵鍋”燉出“硬菜” 已有2人參與
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用“化學鐵鍋”燉出“硬菜” 150噸/年固態(tài)儲氫材料氫化鎂中試項目現(xiàn)場。受訪者供圖 ■本報記者 孫丹寧 在東北，一道鐵鍋燉能燴盡山河百味；在實驗室，科學家也用“化學鐵鍋”燉出了一道“硬菜”。中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱大連化物所）氫化物能源化學研究中心團隊采用“一鍋法”的新工藝技術，制備出鎂基固態(tài)儲氫材料，為氫能安上了“固態(tài)心臟”。 近期，這項誕生于東北的創(chuàng)新技術，在陜西榆林完成了從實驗室到產(chǎn)業(yè)化的關鍵跨越。據(jù)悉，以榆林中科潔凈能源創(chuàng)新研究院（以下簡稱榆林創(chuàng)新院）為建設依托方、大連化物所為技術提供方、大連富德金煜新能源有限公司為投資方，三方共建的150噸/年固態(tài)儲氫材料氫化鎂中試項目一次性投料試車成功，并產(chǎn)出合格的氫化鎂產(chǎn)品。這是目前我國第一條擁有自主知識產(chǎn)權的百噸級以上氫化鎂生產(chǎn)線。 在這場從燒杯到反應塔“破繭成蝶”的演化背后，是一個基礎研究團隊20多年的積淀。氫化物能源化學研究中心由大連化物所研究員陳萍領銜，開創(chuàng)了金屬氮氫、金屬硼氮氫及金屬碳氮氫等多類儲氫材料新體系，引領了國際復合氫化物儲氫研究的前沿熱潮，研究成果被寫進牛津大學編寫的《無機化學》一書中。 如今，這群習慣了與試劑瓶對話的科學家，終于把論文里的分子式烙在了祖國大地上。 讓氫化鎂“一鍋出” 時光撥回至2002年。實驗室的通風櫥里，陳萍正凝視著反應釜中銀白色與深灰色交織的粉末。這是她與固態(tài)儲氫材料故事的起點。 彼時的科研藍圖非常清晰，她想將儲氫材料運用在車載技術上，希望有一天能夠和汽油、柴油等“分庭抗禮”。于是，她開始研究輕金屬鋰、鎂等與氮氣、氫氣的反應，開創(chuàng)了金屬氮氫儲氫材料新體系。其中，氫化鎂就是金屬氮氫LiMgNH儲氫材料的重要成分。 由于LiMgNH具有車載應用前景，迅速成為固態(tài)儲氫材料的重要分支，引起了美國能源部和部分車企的關注。為了車載夢想，陳萍帶領團隊持續(xù)對該材料進行深入研究和優(yōu)化。 到2018年，隨著國內(nèi)氫能行業(yè)熱度漸起，固態(tài)儲氫材料獲得了極大關注，前來交流的企業(yè)不斷增加，應用場景和需求也不斷拓寬。陳萍團隊也從德國引進了希望從事固態(tài)儲氫應用研究的曹湖軍博士。 “這時候我們想，能不能把LiMgNH儲氫應用出口和原料組成進行調(diào)變，關注化工場景，去掉金屬鋰，只做另一個組分——氫化鎂呢？這樣反應體系反而更加簡單了，而且中國的鎂資源十分豐富。”陳萍回憶道。沒想到，這個看似“減法”的決策，卻意外開啟了團隊在鎂基固態(tài)儲氫材料研究的新起點。 氫化鎂是金屬鎂與氫氣鍵合的固態(tài)化合物，如同將氣體凍成“冰塊”，其高儲氫容量、易于控制的反應特性以及獨特的化學性質(zhì)，使得氫化鎂成為鎂基固態(tài)儲氫材料、鋰電的負極材料和重要的還原劑，在儲能、航空航天、電池制造、金屬材料制備、農(nóng)業(yè)、食品工業(yè)等多個領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力。 “通常氫化鎂儲氫時，除了氫化鎂外，還需要添加一些催化劑使其在更溫和的條件下進行反應。我們團隊致力于金屬氫化物能源化學研究，在氫化物催化方面積累了豐富的經(jīng)驗，研發(fā)了性能優(yōu)異的氫化鎂儲氫用的獨有催化劑�！标惼冀榻B道。 傳統(tǒng)的制備方法如同炒菜，通常分“兩步走”，先將鎂在高溫高壓下加工成氫化鎂，再添加催化劑“調(diào)料”。這種“先煮肉后加鹽”的操作不僅耗時費力，還可能因分步處理導致材料混合不均。 “鎂質(zhì)地柔軟、易氧化，固體間反應較為困難，特別是鎂的表面容易形成氧化層，這將阻礙其與氫氣發(fā)生反應，導致反應效率低下，影響儲氫性能�！标惼颊f，“我們設想，能不能把鎂完全暴露在表面，同時加入專有催化劑，使鎂和氫氣立馬產(chǎn)生反應，像東北鐵鍋燉一樣‘一鍋出’？” 有了這個想法，他們立馬著手做“鍋”——定制了一款高速球磨機，在氫氣和催化劑的環(huán)境下，通過高速的機械動能撞開鎂表面的氧化層，使新鮮的鎂表面暴露出來，并且立刻與氫氣和催化劑形成“分子保鮮膜”，搶在氧氣接觸前鎖住活性表面，最終通過“一鍋法”得到了合格的氫化鎂儲氫材料。 “這就如同制作芝麻團子時如果先搓好面團再撒芝麻，芝麻就只能沾在表面，而我們現(xiàn)在和面時就將芝麻揉進面團，每一口都能嘗到香氣�！辈芎姳扔鞯�。 從基礎研究到應用的轉化 在實驗室里取得成功后，團隊有了一個大膽的想法，他們認為“一鍋法”技術具備規(guī)�；糯蟮臐摿Γ粌H能批量生產(chǎn)出社會需要的氫化鎂產(chǎn)品，還能為后續(xù)推動LiMgNH的應用奠定基礎，同時響應國家的能源發(fā)展戰(zhàn)略，因此希望嘗試推進其工業(yè)化應用。 然而，本應順理成章的事情卻讓陳萍和曹湖軍有些犯難。 “我們是一個基礎研究團隊，從來沒做過應用轉化，但是我們心里很清楚，固態(tài)儲氫產(chǎn)品應用范圍很廣，這個課題肯定是屬于基礎應用的一部分，也希望看見我們的技術真正應用在日常生活中�！辈芎娬f。 但是，研究團隊在實驗室往往比較容易“理想主義”，要求各項指標參數(shù)都必須做到最好，深諳氫化鎂的每一個實驗流程，卻對“生產(chǎn)成本”“設備選型”等工業(yè)參數(shù)近乎陌生。而工業(yè)生產(chǎn)需要的是能夠產(chǎn)生經(jīng)濟效益、合格的產(chǎn)品，而不是完美無瑕的“工藝品”。 轉機出現(xiàn)在2021年。在一次中國科學院青年創(chuàng)新促進會的活動中，曹湖軍來到了榆林創(chuàng)新院，了解到榆林這片土地蘊藏著豐富的可再生資源，且盛產(chǎn)鎂。此外，榆林創(chuàng)新院表示，不僅能夠提供充足的場地支持，還可以提供一定的資金保障，這與曹湖軍的需求不謀而合。在申請項目過程中，他與榆林創(chuàng)新院積極尋找合作企業(yè)，并結識了大連富德金煜新能源有限公司總裁呂志輝。 呂志輝曾在大連化物所學習和工作過，在科研成果轉化領域深耕多年，先后完成了甲醇制烯烴等大型工業(yè)化項目。一聽說陳萍和曹湖軍團隊在做儲氫材料，他表示出濃厚的興趣，還專門來到大連化物所實地交流，了解到氫化鎂目前已經(jīng)通過了實驗室小試，他當即表示同意合作。 面對從未涉足的工業(yè)化領域，團隊成員心中難免忐忑。呂志輝在工業(yè)化方面提出了很多建議，并表示：“你們盡管放手去做吧，相關的困難你們不用擔心，有我們呢！”短短幾句話使猶豫不決的團隊堅定了信心。 隨后，陳萍團隊將技術授權給大連富德金煜新能源有限公司，并與榆林創(chuàng)新院簽署了合作合同，三方一起朝著氫化鎂工業(yè)化生產(chǎn)目標前進。 堅持不懈的信念是成功關鍵 隨著合作的深入，新的問題產(chǎn)生了。 原本在實驗室階段表現(xiàn)卓越的高壓高速旋轉設備，在工廠中試階段卻難以勝任了，此前的機械力度無法“攪動出”放大十倍、百倍后的原材料，進一步加大扭矩可能導致反應器接口高壓泄漏，持續(xù)升高溫度又會導致鎂粉板結。 此時，儲氫領域的資深專家熊智濤博士加入團隊，為研究注入了新的活力。最終，團隊從化工領域的深厚積累中汲取靈感，利用氣體流動帶動粉末傳輸，并通過優(yōu)化攪拌頻率，成功將實驗室技術適配于大型設備，實現(xiàn)了從實驗室研究到工業(yè)化生產(chǎn)的關鍵跨越。 不久之后，一座現(xiàn)代化的氫化鎂合成產(chǎn)線誕生了。 在冬天零下15℃的榆林，曹湖軍站在高達五層的工業(yè)裝置之上，感受著刺骨的寒風呼嘯而過，內(nèi)心卻涌動著一股暖流。從實驗室到工廠的跨越，于他和陳萍而言，已不僅僅是一句空洞的口號，而是團隊共同走過的漫長征程的見證。在他們心中，堅持不懈的信念才是推動科研成果成功轉化的核心要素。 “如果不相信工業(yè)化能夠成功，那么我可以找到無數(shù)理由來否定技術的市場化前景——安全問題、工藝放大……但我們的催化劑和制取氫化鎂的技術都是原創(chuàng)的，我們堅信它們能夠走進工廠的大門，最終的結果也印證了我們的判斷�！� 在與企業(yè)的深入交流中，曹湖軍逐漸學會了傾聽并理解他人的需求。 他坦言：“作為一個專注于基礎研究的團隊，我們的‘母語’是化學語言，而工程師們則精通機械語言和設計語言。比如，我提供的是化學反應的邊界條件，而他們提供的是設備工藝的參數(shù)設置，在這中間是有差異的。因此，我們不僅要成為自己領域的專家，也要學會成為彼此的‘翻譯’，找到一個溝通的平衡點，才有可能走向成功�！� “科研人員、設計人員、施工人員、管理人員與企業(yè)家齊心協(xié)力、全力以赴，相互尊敬、支持和欣賞，也是此次中試項目取得成功的關鍵�！辈芎娧a充說。 目前，150噸/年固態(tài)儲氫材料氫化鎂中試項目已順利開車，整條中試生產(chǎn)線現(xiàn)場無人值守、自動化運行，實現(xiàn)了氫化鎂的高效化、連續(xù)化、數(shù)字化生產(chǎn)。該生產(chǎn)線制備出的氫化鎂材料，純度高達90%~99%，循環(huán)次數(shù)可達千次以上，是傳統(tǒng)高壓氣態(tài)儲氫密度的4倍，能夠提供高安全、高效率、低成本的氫能儲運解決方案。 展望未來，團隊滿懷信心地表示，他們將繼續(xù)研發(fā)性能更優(yōu)異的儲氫材料及其催化劑，同時參與建設產(chǎn)能更大的氫化鎂裝置，實現(xiàn)生產(chǎn)的全面自動化，為大規(guī)模儲氫材料的應用提供更為堅實的支撐。 《中國科學報》(2025-03-17 第4版 轉移轉化) |
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