編者按：“雙碳”背景下，隨著科技水平不斷進(jìn)步和能源行業(yè)快速發(fā)展，分布式能源已成為引領(lǐng)能源領(lǐng)域發(fā)展的重要趨勢(shì)之一。第十九屆中國(guó)分布式能源國(guó)際論壇”于2023年12月12日在重慶召開(kāi)，本次大會(huì)由中國(guó)能源研究會(huì)與中國(guó)能源網(wǎng)聯(lián)合主辦。會(huì)上，

中科院過(guò)程工程研究所段東平研究員做了主題為《多面體鈦酸鍶光量子發(fā)電與光解水制氫一體化成套技術(shù)》的報(bào)告。

以下內(nèi)容根據(jù)論壇演講實(shí)錄進(jìn)行整理。

段東平：感謝主持人，也感謝大會(huì)組委會(huì)邀請(qǐng)我來(lái)參加會(huì)議，跟大家分享一下我的工作。

我的工作題目很清晰，有三行字，先做一點(diǎn)點(diǎn)解釋。

一、研發(fā)出來(lái)了一種目前是全球首創(chuàng)的材料，多面體鈦酸鍶，當(dāng)然重點(diǎn)用的是26面體鈦酸鍶，以及中空結(jié)構(gòu)的26面體鈦酸鍶，這個(gè)材料目前在制備完成兩年多的時(shí)間里面，已經(jīng)把專利和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了細(xì)分，截至目前還沒(méi)有在全球看到有人制備出來(lái)，包括鈦酸鍶，包括其他材料的多面體材料。

二、技術(shù)由于多面體的精煉，能夠非常高效的吸收和轉(zhuǎn)換光電子，因此在技術(shù)路線設(shè)計(jì)當(dāng)中，一方面用它來(lái)發(fā)電，同時(shí)放在水里面實(shí)現(xiàn)了光解水制氫，一套技術(shù)當(dāng)中采用一套裝置完成兩項(xiàng)工作，所以我們把它叫做一體化的成套技術(shù)。

事實(shí)上這里面還集成另外一個(gè)技術(shù)，在報(bào)告里面提到，采用了聚光的方式實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的瓶頸。

我今天的內(nèi)容重點(diǎn)從三個(gè)方面看一下技術(shù)的開(kāi)發(fā)情況，首先重點(diǎn)是開(kāi)辟出來(lái)了新能源材料，就從現(xiàn)在全球的情況來(lái)看，新能源材料定義的已經(jīng)很清晰，在各種場(chǎng)合下，比如隨便選幾個(gè)去搜，新能源材料的界定很清晰，一般指的鋰、硅等等材料，很少有其他的元素能充當(dāng)新能源材料。另外有一個(gè)很重要的概念，我們真的可以認(rèn)真分析一下，截至目前全球新能源技術(shù)的發(fā)展，目前似乎第一中國(guó)人還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出來(lái)屬于我們自己獨(dú)有知識(shí)產(chǎn)的新能源材料。

二、整個(gè)體系當(dāng)中無(wú)論是標(biāo)準(zhǔn)還是技術(shù)源泉，似乎都是來(lái)源于西方的國(guó)家。說(shuō)到的鈦酸鍶很巧，今年的3月8日Nature發(fā)表了一篇文章，他們正好佐證了我們現(xiàn)在使用材料的獨(dú)特性，他時(shí)候的文章有一張圖片，就是大家看到的右側(cè)照片，他們用激光去轟擊現(xiàn)有的很多半導(dǎo)體材料，當(dāng)然包括了硅，包括了二氧化碳，包括了其他的氮化硅等等很多材料，也包括現(xiàn)在市場(chǎng)上可以買(mǎi)到的六面體鈦酸鍶材料。

在轟擊了這些半導(dǎo)體材料之后，西湖大學(xué)發(fā)現(xiàn)目前僅有一種材料具備由激光轟擊之后表面出現(xiàn)了光陰極現(xiàn)象，這個(gè)材料就是他們所使用的六面體鈦酸鍶。光陰極實(shí)際上在物理學(xué)上很容易理解的概念，材料的表面可以由大量的電子聚集，電子可以自由流動(dòng)，現(xiàn)象更像是金屬材料當(dāng)中的電子云，實(shí)際上這個(gè)地方用了一個(gè)在半導(dǎo)體行業(yè)的詞，叫光陰極，只是證明材料的獨(dú)特性，是今年3月8日被西湖大學(xué)佐證了一下。

再來(lái)看另外一個(gè)變形的元素周期表，在2019年，歐洲化學(xué)會(huì)和英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)聯(lián)合發(fā)布了元素周期表，列了90種元素，按照未來(lái)一百年對(duì)人類將會(huì)產(chǎn)生影響，甚至最嚴(yán)重的到了威脅生存或者生活的緊張程度的元素，進(jìn)行了分類，這上面包括好幾種顏色，比如綠色的，就是未來(lái)沒(méi)有危機(jī)的，黃色的大約會(huì)逐漸稀少，偏橙黃色的未來(lái)資源量肯定會(huì)逐漸的減少，最嚴(yán)重的就是圖片上偏棕紅色的顏色。

棕紅色的顏色里面有12個(gè)元素，其中有一個(gè)是氦，氣體元素，還有剩下的基本都是金屬元素。在這些元素當(dāng)中，最左邊的可以看到是一個(gè)鍶，鍶事實(shí)上很少有人了解，甚至中國(guó)人都很少知道鍶是什么樣的元素，我們正好今天在重慶開(kāi)會(huì)，我在4年前的11月2日在重慶做了一個(gè)報(bào)告，我們要做的事情是打造世界“鍶都”，重慶當(dāng)仁不讓，說(shuō)的重慶人莫名其妙，資源開(kāi)發(fā)以及宣傳還是沒(méi)有到位。

鍶對(duì)于歐洲來(lái)說(shuō)，或者對(duì)于很多西方國(guó)家來(lái)說(shuō)，他們的發(fā)展戰(zhàn)略當(dāng)中非常重要，但是它的資源非常緊張，而鍶資源在現(xiàn)在全球已經(jīng)探明的1.42億噸的儲(chǔ)量當(dāng)中，中國(guó)占了8200萬(wàn)噸，占總量的57.6%，當(dāng)然重慶的量更大，重慶是現(xiàn)在全球最大的鍶資源儲(chǔ)地，現(xiàn)在探明儲(chǔ)量3807萬(wàn)噸，占全世界的26.7%，因此在大背景下就提出了接下來(lái)要說(shuō)的技術(shù)路線，我們有非常大的優(yōu)勢(shì)，中國(guó)的資源優(yōu)勢(shì)加上技術(shù)的卡脖子優(yōu)勢(shì)，可以完成這一項(xiàng)技術(shù)。

鈦酸鍶原本早就存在，原來(lái)六面體鈦酸鍶一直作為壓電材料、介電材料在使用，事實(shí)上在市場(chǎng)上可以買(mǎi)到常規(guī)產(chǎn)品。但是我們經(jīng)過(guò)十余年的研究，把材料性能進(jìn)行了深度的拓展和挖掘，現(xiàn)在已經(jīng)成功的在實(shí)驗(yàn)室以及放大規(guī)模的設(shè)備商制備出來(lái)批量的二十六面體材料和中空材料，材料從外觀上圖片很清晰，性能上有很多與現(xiàn)在的半導(dǎo)體材料以及其他的新能源材料有巨大差別的特征，一方面就是光電轉(zhuǎn)換效率，在下面從左往右數(shù)第二個(gè)柱狀圖可以看，四個(gè)柱分別是市場(chǎng)上常規(guī)的鈦酸鍶產(chǎn)品的光電轉(zhuǎn)換效率，測(cè)試的結(jié)果是11.1%。

第二個(gè)紅柱是實(shí)驗(yàn)室自己制備的形貌非常規(guī)則的六面體鈦酸鍶，就是左上角圖片的材料，共建轉(zhuǎn)換效率測(cè)試結(jié)果是13.7%，當(dāng)然前兩個(gè)是一個(gè)數(shù)量級(jí)，因?yàn)橐?guī)則不規(guī)則，形貌是不是統(tǒng)一，影響了一些光電轉(zhuǎn)換性能。

第三個(gè)綠色的柱，是十八面體鈦酸鍶，光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)36.8%。

第四個(gè)是二十六面體鈦酸鍶，光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)46.9%。

原因就是晶面嚴(yán)重的拓展了光電轉(zhuǎn)換效能，從材料未來(lái)應(yīng)用上講，我覺(jué)得基礎(chǔ)性質(zhì)是一定要搞清楚的，在右下角我們也特地列了四句話。

一、穩(wěn)定性特別好，熔點(diǎn)高達(dá)2060度。

二、由于多晶面可以激發(fā)出更多的有效光電子，這是我們?cè)谛履茉搭I(lǐng)域非常需要的現(xiàn)象。

三、事實(shí)上現(xiàn)有的新能源技術(shù)非常害怕紫外線，而現(xiàn)在的材料可以覆蓋從200納米到800納米的區(qū)間，紫外光更好的轉(zhuǎn)換成為光電子。

四、由于采用的聚光技術(shù)，因此我們認(rèn)為現(xiàn)在的技術(shù)實(shí)際上是一個(gè)已經(jīng)超越了三維空間結(jié)構(gòu)的四維技術(shù)架構(gòu)，形成這樣一條技術(shù)。

具體的從研究上講有幾個(gè)圖片，大家簡(jiǎn)單過(guò)一下，比如如何從晶面調(diào)控，實(shí)現(xiàn)不同晶面的鈦酸鍶合成，這是我們做的工作，再通過(guò)一些表征、檢測(cè)得到準(zhǔn)確的參數(shù)，獲得全球認(rèn)可的材料相關(guān)數(shù)據(jù)。

另外，分別要對(duì)多面體材料進(jìn)行光電子利用效率的測(cè)定，我們同樣也做了相應(yīng)的一系列工作。

比如二十六面體材料，在去年德國(guó)材料學(xué)會(huì)的頂級(jí)期刊small上發(fā)表了一篇文章，被他們選為了封面，同時(shí)也充分肯定了全球首次制備出來(lái)二十六面體納米晶體的技術(shù)。最近也一直在深入的研究晶面調(diào)控的機(jī)理以及調(diào)控方法，這個(gè)工作也在今年10月份在美國(guó)化學(xué)會(huì)刊GMCA上又獲得了封面的刊登，當(dāng)然有很好的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給了全球。

從過(guò)去十年當(dāng)中，在各方面做的一系列研究，重點(diǎn)解決了光電轉(zhuǎn)換當(dāng)中的機(jī)理問(wèn)題，我在這里列了四條。

一、提高了鈦酸鍶光載流子的轉(zhuǎn)換與遷移效率。

二、提出了新的鈦酸鍶光載流子的激發(fā)態(tài)模型。

三、揭示了鈦酸鍶晶面的解體合成機(jī)理和調(diào)控機(jī)制。

四、揭示了鈦酸鍶中超低激子結(jié)合能的亞穩(wěn)態(tài)激子對(duì)的存在以及各項(xiàng)異性的分布特征，這些其實(shí)是機(jī)理性的研究。

但是機(jī)理性的研究和材料的制備最終必須拿到用途，或者引發(fā)出來(lái)新的成套技術(shù)，才能夠獲得新的認(rèn)可。

我們的用途其實(shí)就集中在大家現(xiàn)在更關(guān)注的新能源領(lǐng)域，包括太陽(yáng)能、氫能等等，帶這個(gè)基礎(chǔ)的研發(fā)過(guò)程中有這樣一個(gè)體會(huì)，就是下面這句話，我認(rèn)為人類利用自然能最理想方式，就是用最短路徑把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，并且可以同時(shí)高效的光解水制氫，目前所看到的所有技術(shù)里面，我認(rèn)為這個(gè)可能是難度最大的，或者說(shuō)將來(lái)解決起來(lái)大概是終極的技術(shù)路線。

和新能源的對(duì)比，通常會(huì)拿晶硅光伏板，甚至最近這兩年熱起來(lái)的鈣鈦礦材料，鈣鈦礦電池材料去進(jìn)行對(duì)比，這是現(xiàn)有的晶硅技術(shù)制作的簡(jiǎn)單簡(jiǎn)圖，在這里做個(gè)背景。制氫其實(shí)也一樣，全球很多制氫的技術(shù)路線，現(xiàn)在通常被認(rèn)為濾氫制備技術(shù)的路線當(dāng)中，左邊的圖里面可以看到其實(shí)有四個(gè)路線，圖里面最左邊的線就是光解水制氫的技術(shù)路線，從技術(shù)路線上看，最簡(jiǎn)單的制氫路線就是光解水制氫，但是往往最簡(jiǎn)單的時(shí)候，技術(shù)路線或者技術(shù)難度是最高的，所以我們的工作就是接下來(lái)解決的事情。

怎么解決?做一個(gè)對(duì)比，我在這里列了三行的圖片，是從原礦開(kāi)始一直到產(chǎn)品做一個(gè)相對(duì)應(yīng)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的對(duì)比，比如第一行就是晶硅電池技術(shù)全流程的分布圖，它有它的特點(diǎn)，當(dāng)然現(xiàn)在在全球推廣開(kāi)來(lái)，有它的優(yōu)勢(shì)，簡(jiǎn)單可以看一下。

第二行就是鈣鈦礦電池領(lǐng)域的人在參考晶硅電池的技術(shù)路線，在模仿相應(yīng)的電池所開(kāi)展的工作，上下第一行、第二行的區(qū)別其實(shí)都是用的礦產(chǎn)資源，只不過(guò)在進(jìn)行材料的合成和制備的時(shí)候，晶硅是用的高能耗的電爐進(jìn)行了冶煉，鈣鈦礦的材料是用了低能耗的化工反應(yīng)器進(jìn)行了化學(xué)的合成，后面同樣都是用單倍光照射板狀的或者是模狀的材料實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化，同樣鈦酸鍶也是一種化工合成的材料，當(dāng)然可以把它列為是典型的鈣鈦礦材料，但是我們的研究后來(lái)就做了新思想拓展。

我們最熟悉的就是化工，最要開(kāi)展的就是化學(xué)反應(yīng)，因此把我們的材料并沒(méi)有放進(jìn)摩爾里面，也沒(méi)有放到晶硅板子上面去，而是把它放在了化工反應(yīng)器里，用陽(yáng)光作為光電轉(zhuǎn)換的原料，來(lái)實(shí)現(xiàn)最終的光電轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)，所以最下面這行是現(xiàn)在對(duì)技術(shù)的思路是這樣來(lái)做的，技術(shù)路線其實(shí)在打通之后，現(xiàn)在的材料已經(jīng)委托合作，跟北京的上市公司全部買(mǎi)斷了，已經(jīng)拿走了，現(xiàn)在把二十六面體在發(fā)電和制氫上應(yīng)用，我們做的技術(shù)其實(shí)類比的叫投資方，經(jīng)常類比的就是晶硅等等，我們的技術(shù)集成之后，大家在右下角可以看到圖片，現(xiàn)在正在鄭州建設(shè)兩千倍聚光的示范縣。

未來(lái)在整個(gè)技術(shù)當(dāng)中要實(shí)現(xiàn)的是綜合光電轉(zhuǎn)換效率45%，每克鈦酸鍶光解水制氫速率每小時(shí)6個(gè)毫摩爾，通常全球的數(shù)據(jù)是6摩爾，我們大概是他們的一千倍到一百倍左右。單倍光STH值是1.15%，當(dāng)然成本在這里也有，發(fā)電大約測(cè)算的是0.1到0.15，制氫大約是每千克8到12元，具體的技術(shù)路線從這里可以簡(jiǎn)單的看一下，左上角就是核心技術(shù)、材料，把它要裝在光反應(yīng)器里，最后把水和聚光之后的太陽(yáng)光當(dāng)成是反應(yīng)原料，最后進(jìn)到整體的技術(shù)里面，在設(shè)置里面完成這樣的工作。

現(xiàn)在這項(xiàng)技術(shù)，因?yàn)橐呀?jīng)開(kāi)發(fā)到后期了，最近大約已經(jīng)申請(qǐng)了20多項(xiàng)專利，其中有5項(xiàng)已經(jīng)授權(quán)，還有幾項(xiàng)現(xiàn)在正在審批當(dāng)中。根據(jù)給中國(guó)科學(xué)院報(bào)的相關(guān)考核指標(biāo)，綜合光電的效率要45，投資大約每千瓦4到6塊錢(qián)，度電成本是0.1到0.15，占地大概每千瓦是3到4平米，占地是晶硅的三分之一到四分之一。

整個(gè)系統(tǒng)后面有一個(gè)合作方，因?yàn)闅錃馕覀冎回?fù)責(zé)制，制之后儲(chǔ)和運(yùn)由兄弟單位 他們的成熟技術(shù)解決后續(xù)的儲(chǔ)和運(yùn)工作?，F(xiàn)在看這項(xiàng)技術(shù)未來(lái)應(yīng)用的領(lǐng)域應(yīng)該比較廣，很可能最先推進(jìn)的是北方地區(qū)熱電廠的整體改造，這是大的板塊，再一個(gè)是純粹的制氫和發(fā)電。另外今天上午還有投資方在跟我對(duì)接，他們非常愿意做撬裝式的任務(wù)是野外、野戰(zhàn)等等沒(méi)有任何能源條件的地區(qū)實(shí)現(xiàn)這樣的工作。

最后再?gòu)恼麄€(gè)的模式上，因?yàn)楝F(xiàn)在這項(xiàng)技術(shù)和現(xiàn)有的新能源技術(shù)有很大的差別，因此在技術(shù)架構(gòu)上和合作模式上都和現(xiàn)在的新能源技術(shù)有很大的區(qū)別，我們認(rèn)為技術(shù)里面最核心的關(guān)鍵材料，甚至是可以類比成英特爾的芯片是在中國(guó)人自己手里，因此整個(gè)架構(gòu)并不是一個(gè)拿來(lái)的事情，而是自己開(kāi)創(chuàng)推廣的事情，所以模式是不同的。

首先突破了關(guān)鍵材料，這是最核心的問(wèn)題。其次在整個(gè)體系當(dāng)中，真正做到的是從太陽(yáng)光照射到地球光的強(qiáng)度來(lái)算，到最后達(dá)到45以上的光電轉(zhuǎn)換效率，這個(gè)和現(xiàn)在的新能源數(shù)據(jù)、差距是巨大的，而且數(shù)據(jù)下一步的目標(biāo)是60%。

在整個(gè)技術(shù)里面，實(shí)際上原有物理的光電轉(zhuǎn)換以及化學(xué)、化工的光反應(yīng)器的技術(shù)，化學(xué)物理結(jié)合在一起的一套技術(shù)，這是全球沒(méi)有結(jié)合的思路。還有在技術(shù)方面利用我們的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)楝F(xiàn)在已經(jīng)從材料拓展到了紫外和可見(jiàn)光的全光域進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，在這些技術(shù)當(dāng)中，之所以現(xiàn)在信息很足，包括三年前還在開(kāi)如何打造世界鍶都的會(huì)，原因就是因?yàn)橹袊?guó)的鍶資源占全球的57%，因此我們完全有理由和有信心把這樣一項(xiàng)技術(shù)開(kāi)發(fā)成中國(guó)獨(dú)有，而且能夠向世界去推廣和宣傳的新能源技術(shù)。

未來(lái)如果放在西部地區(qū)應(yīng)該是這樣的場(chǎng)景，大量的反光鏡，由于效率非常高，反光鏡的光高倍聚焦聚在了光反應(yīng)器里，光反應(yīng)器未來(lái)的目標(biāo)是黑洞，來(lái)的光盡可能留在里面，完成它的光電轉(zhuǎn)換，未來(lái)整體的光電轉(zhuǎn)換效率目標(biāo)是60%以上。另外這項(xiàng)技術(shù)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中注意到的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在還很少有一項(xiàng)技術(shù)是能夠自己具備儲(chǔ)能和轉(zhuǎn)換的功能，都是需要外配套的，我們這項(xiàng)技術(shù)是自備儲(chǔ)能、自備轉(zhuǎn)換的技術(shù)，所以我們叫制氫和發(fā)電可以互相切換，互為儲(chǔ)能，在整個(gè)的系統(tǒng)當(dāng)中，光反應(yīng)器是核心，光反應(yīng)器更像重慶的火鍋，在同一套裝置上可以同時(shí)完成兩件事，這也是現(xiàn)在全球沒(méi)有在一套裝置上實(shí)現(xiàn)兩件事的技術(shù)。

最后可以分享兩組數(shù)據(jù)，一個(gè)是現(xiàn)在全國(guó)正在對(duì)接和建設(shè)幾個(gè)裝備制造基地，按照未來(lái)成套裝備的發(fā)電能力，比方說(shuō)10兆瓦、50兆瓦、100兆瓦等等，每個(gè)基地按照2個(gè)GW的年制造能力來(lái)看，固定資產(chǎn)投資大約2個(gè)億，土地還有1個(gè)億，占地大約有一百到兩百畝夠了，剩下就是毛利率，應(yīng)該是比較高了，大約50%左右，投資回收期也很短，大約兩年左右。

單獨(dú)看到一套設(shè)備的時(shí)候，比如10兆瓦和50兆瓦，可以對(duì)應(yīng)看到相應(yīng)的參數(shù)，比如發(fā)電量是可以測(cè)算出來(lái)的，度電的成本同樣也能測(cè)算出來(lái)，另外同時(shí)還能產(chǎn)生氫氣，制氫現(xiàn)在也是國(guó)內(nèi)很熱或者急需的一項(xiàng)技術(shù)，只不過(guò)我們是光解水制氫，而不是電解水制氫。

時(shí)間問(wèn)題，就把技術(shù)向大家分享到這里，感謝大會(huì)。