如何曲线救国用铁矿石做催化剂化解制氢成本太高的尴尬？

　　尽管氢燃料的进展相对电动车来说更为缓慢，但是燃料电池车的队伍也依然在慢慢壮大着。除了市场上现有的日本本田的本田CLARITY、MIRAI之外，宝马奥迪均有氢燃料电池概念车的推出计划，作为对燃料电池的前沿研究，通用与本田也有合作计划。国内氢燃料电池车则在商用车上有所进展，比如宇通在五月份推出了续航600公里的氢能源客车，而上周广东也宣布开始氢能源客车的示范运营。

　　与电动车相类，氢燃料电池的推进过程中，在成本之外，氢能源的供给是限制其发展的一个主要因素。这个供给包括几个方面，包括制氢，氢气运输以及加氢站的基础设施建设等。

　　目前，工业制氢方式中应用最多的依然是利用化石燃料或天然气制氢。能源密集型的制造过程与居高不下的成本，副产物二氧化碳以及对化石燃料的依赖，依然是制约因素。所以，对于制氢方式的研究也一直没有停下过。

　　

　　用铁矿石取代镍作为催化剂

　　在现在常规的制氢方式中，将天然气中的甲烷（CH4）与水进行反应制氢是比较常用的一种形式。在这个过程中会产生大量的二氧化碳，在制取完成后，需要将氢气压入水中溶解二氧化碳进行提纯，得到纯度较高的氢气。二氧化碳的排放本身也是个问题。

　　而同样是在1950年就开始的甲烷裂解的方式，通过在高温下（750℃以上）热裂解甲烷，可以得到组成甲烷的两种元素：氢气与碳，与前面提到的方式不同，在这种方式下并不会产生二氧化碳。碳是以固态粉末状出现的，也就是生成了石墨。

　　澳洲一家成立于2010年的公司，Hazer Group就是基于甲烷裂解的方式来制氢。那么他们的优势在哪里呢？

　　在常规的甲烷裂解制氢方式中，存在一个问题，需要催化剂——镍。因为甲烷裂解需要在高温下进行，催化剂的作用是可以降低裂解反应所需要的能量，也就是可以让反应发生的温度降低，另外一个作用则是可以生成更高纯度的固态碳。在甲烷裂解之后，其产物中25%是氢气，而75%则是石墨。石墨的价值与其纯度和结晶度相关，而且现在石墨在锂电池，钢铁和碳纤维的制作中都有应用，本身也具有较高的工业价值。

　　作为稀有金属，镍的成本一直很高。而且在制取过程中，生成的石墨粉末会附着在催化剂的表面，当累计的石墨到一定程度后，会影响裂解反应的活性，或者导致反应中止。而要重复利用催化剂，则需要对表面附着的石墨粉末进行处理，比如通过燃烧的方式将其去除等。

　　无论是对吸附石墨的处理过程，还是石墨本身的利用率不高，都是造成此前制氢成本高的原因。

　　Hazer的方式是将镍更换成了铁矿石，相较而言，铁矿石的成本就要低很多了。在接受英国卫报采访时，Hazer的主管Geoff Pocock表示，Hazer采用的方式，是让天然气经过加热的铁矿石来进行裂解。在这个过程中，生成的一部分氢气会用于系统的能源供给用来加热铁矿石，剩余的氢气作为产出。同时生成的石墨粉末可以作为副产品出售，来增加经济可行性。Hazer的目标是让氢气的制取成本能够降低到0.5-0.75美元/公斤。

　　尽管在铁矿石的开采过程中也会产生二氧化碳的排放，不过Pocock表示，对与Hazer来说这并不是个问题，因为他们使用非常铁矿石的量并不多。每使用1吨的铁矿石来进行催化，Hazer能够制造10吨的氢气。

　　美好的理想能成为现实么？

　　如果这一套路可以完美实现，当然是很好的，一箭多雕。氢气与石墨二者兼得，石墨的销售帮助降低成本，也可以让减少大量的二氧化碳排放。但是依然存在一些问题。

　　现在并非只有Hazer在对甲烷裂解反应进行研究。先进可持续性研究院（IASS）德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的研究人员在去年11月宣布利用甲烷裂解制氢，不过期初步成本在1.9-3.3欧元/公斤，这个成本并没有考虑副产品石墨的价值。当然也提到，因为技术目前并不完全成熟，因而对于成本的估算不够准确。

　　IASS与KIT的团队是设计了一个新的实验反应器，基于液态金属技术，注入甲烷气泡，在触碰到液态金属表面时，就会裂解成氢气与石墨粉末。研究团队依然在对反应器进行研究，包括如何去除附着的石墨等，如何保证反应器连续高效运作。

　　工艺制备技术的完善同样是Hazer面临的问题。在目前Hazer的对外技术文件，以及在卫报的采访报道中，均未详细透露其制备过程，因而对于这个制备过程是否存在一些技术难点，也无从了解。卫报还找到了澳洲联邦科学与工业研究组织CSIRO的一名化学工程师Ken Chiang博士了解铁矿石作为催化剂的使用情况。Chiang博士对于Hazer的制取过程并没有进行评论，不过提到很多研究组织正在研究将铁矿石作为新的催化剂选择。相较于稀有金属而言，铁矿石低廉的成本是吸引他们进行研究的重要因素。如果被验证可行，那么很多化学反应的成本将大幅降低。

　　Hazer目前正在与与悉尼大学的可持续性技术实验室在进行共同研发。但是，目前，Hazer的这项技术还没有开始正式投产。根据Pocock的介绍，到2017年底，Hazer的试点工厂将会达到每天10-100公斤的制氢量，也就是最大的产量是30吨/年。但是如果要达到工业的一定规模，年产量则至少要超过1万吨才行。而如何完成从理论到实际量产的验证，将是Hazer面临的最大考验。