英文原题：Electrochemical Cracking for Releasing Hydrogen from Methanol
通讯作者：徐梽川，新加坡南洋理工大学
作者： Xinlong Lin (林欣珑), Fanxu Meng (孟繁旭)
研究背景
应用氢能相比传统化石燃料显著减少了空气污染物的排放。然而，氢气的运输、存储和分配仍面临诸多挑战。为应对这些问题，探索潜在的氢载体对于促进氢能的分配和实现便捷的洲际能源贸易至关重要。甲醇因其每分子更高的氢密度、运输便捷性以及与水的混溶性相较于纯氢更具优势，已成为一种理想的氢载体。当需要使用氢气时，甲醇可以通过热化学或者电化学过程释放氢气。
文章亮点
近日，新加坡南洋理工大学徐梽川院士题组在 Artificial Photosynthesis上发表了通过甲醇电化学裂解制备氢气的前瞻性文章 （Perspective）。本文阐述了热化学和电化学甲醇裂解，并对当前技术和这些领域的最新进展进行了探讨，特别强调了催化剂的开发及其在这两种路径中所涉及的机理。此外，还对电化学甲醇裂解进行了技术经济分析，以展示该创新技术的潜在经济效益。分析表明，电化学甲醇裂解具有良好的盈利前景。此外，对甲醇、液态氢和氨的处理和运输成本进行了对比评估，进一步突显了甲醇的优势。总体而言，甲醇作为未来的氢载体展现出巨大的潜力，这得益于其经济可行性及其在高效运输和转化为氢气方面相对较低的技术难度。
图1. 通过甲醇制氢实现碳中和的示意图，重点展示其与水电解制氢的相互关系。
热化学甲醇裂解：甲醇转化为氢气可以通过热化学和电化学路径实现。目前，热化学方法比电化学方法更加成熟。热化学甲醇裂解有多种工艺可供选择，其中已实现商业化的甲醇水蒸汽重整（MSR）技术因其在温和反应条件下即可进行氢气生产而备受关注。此方法在各种氢气生产技术中最受青睐，因其可实现高产氢率。在MSR过程中，催化剂起着至关重要的作用，对氢气生产效率有显著影响。生成氢气的产量和纯度是该过程中的关键参数，选择合适的催化剂对于优化这些因素至关重要。近年来的研究集中于催化剂材料的开发和改进，以提高其在特定反应条件下的性能，包括活性、选择性和稳定性。
电化学甲醇裂解：尽管甲醇的热化学制氢技术较为成熟，但仍存在杂质去除和较长启动时间的问题。最终得到的氢气产物中可能含有杂质（例如一氧化碳），在后续应用中会毒化燃料电池中的催化剂。因此，通过此方法生产的氢气需要进一步处理以去除杂质后才能使用。在这种情况下，电化学途径成为另一种前沿选择，其中在水溶液中的甲醇电解是常温条件下进行就地制氢的理想技术。值得注意的是，本文对电化学甲醇裂解制氢的能量效率进行了计算，结果表现出了出随着电位的增加而下降的趋势，但能量效率在甲醇氧化反应电位即低于1 V的范围内，仍高于MSR（图2）。在1 V时，其能量效率约为60%，与MSR相当，表明在其反应电压下，电化学甲醇裂解的能量效率优于传统的MSR。
图2. 热化学甲醇裂解与电化学甲醇裂解的能量效率比较
电化学甲醇裂解的技术经济分析: 考虑到甲醇电化学裂解在未来工业氢气生产中的巨大潜力，本文随后进行了一项甲醇电化学裂解的技术经济分析（TEA），该分析是对通过电化学过程从甲醇生产氢气的技术和经济可行性进行的综合评估。根据本文的计算结果，生产成本主要集中在原料成本（2023.22 美元/吨氢）（图 3），占总生产成本的 74%。这主要是由于甲醇的价格高于水的价格，而甲醇的高生产成本主要受其原料成本的影响，主要来源于化石燃料。通过以更加可持续且经济高效的方式推进甲醇生产，预计未来原材料的影响将会降低。在材料成本之后，电力成本（445.82 美元/吨氢）是甲醇制氢的第二大费用。未来电力成本的降低预计将受到电力费用下降和对催化剂和装置的持续研究所取得的电化学性能提升的推动。
图3. 电化学裂解甲醇制氢的成本计算。
在本研究所计算的电化学甲醇裂解系统的生产成本和收益方面（图4a），本研究建立的电化学系统显示出潜在的盈利能力，预计可达到1165.85美元/天。主要的收入来源来自氢气产量，这证明了氢气的经济价值及其为本系统创造利润的能力。此外，假设甲醇和氢气通过船运罐装运输。在运输之前，水电解所获得的气态氢气需要液化，以便于运输，这是因为常温下氢气体积较大且在运输过程中存在安全隐患，因此会产生额外的成本。相比之下，甲醇在运输前不需要额外的液化步骤，从而节省了与整体处理和运输过程相关的能源和成本。这一现象在图4b中得到了充分体现，液态氢的处理和运输成本远远高于甲醇。此外，甲醇的运输成本也显著低于氨，几乎低一倍。
图4. (a) 电化学甲醇裂解制氢的成本构成及相应收入。(b) 水电解与甲醇电化学裂解的氢气生产成本，以及甲醇与液态氢的处理与运输成本的比较。
总结和展望
本文探讨了两种不同的甲醇裂解方法，即热化学甲醇裂解和电化学甲醇裂解，重点关注催化剂的开发和反应机制的基本原理，并进一步突出了电化学裂解在此背景下的优越性。此外，本文还提供了电化学甲醇裂解制氢工艺的全面技术经济分析，展示了其经济可行性和潜力，进一步突显了甲醇的相对优势。最后，作者展望了甲醇在未来氢能源体系中的重要角色和发展。
相关论文发表在高质量期刊Artificial Photosynthesis上，新加坡南洋理工大学博士研究生林欣珑为文章的第一作者， 徐梽川院士为通讯作者。
通讯作者介绍
徐梽川 教授
徐梽川现为新加坡南洋理工大学讲席教授、新加坡工程院院士、海洋能源与可持续发展研究中心主任、先进催化科学与技术研究中心主任、欧洲氢能论坛委员会国际委员、美国电化学协会新加坡分会主席、英国皇家化学会会士。
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Artif. Photosynth. 2024, ASAP
Publication Date: November 5, 2024
https://doi.org/10.1021/aps.4c00019
© 2024 The Authors. Co-published by Dalian Institute of Chemical Physics, CAS, Westlake University, and American Chemical Society.
关于Artificial Photosynthesis
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