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一、
氫，作為二次能源，具有能源和原材料兩重屬性，已被大家普遍認(rèn)為是未來零碳社會的重要組成部分。長遠(yuǎn)來看，電解水制氫易與可再生能源結(jié)合，規(guī)模潛力更大，更加清潔可持續(xù)，是最有潛力的綠氫供應(yīng)方式。而PEM電解水制氫，因其采用的電解池結(jié)構(gòu)緊湊，所以重量輕、體積小、規(guī)模靈活；同時得到的氫氣純度高、完全無污染；此外，電解槽效率高、所需能耗低，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，更適合可再生能源的波動性，因此是制取綠氫的主要技術(shù)路線之一，未來極具發(fā)展?jié)摿Α?/span>
但不少業(yè)內(nèi)人士對PEM電解水制氫所需的一種關(guān)鍵材料–銥的穩(wěn)定供應(yīng)，存在著很大的疑慮。更有專家擔(dān)心，銥作為一種極端稀有的貴金屬材料，可能成為未來PEM電解水技術(shù)大規(guī)模發(fā)展的關(guān)鍵障礙，嚴(yán)重阻礙綠氫及低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。
那么，到底上述疑慮會不會成真呢？
二、
銥是貴金屬鉑族金屬的一種，是比重第二的重金屬，達(dá)到22.56 g/cm3。銥金屬非常難融–其熔點(diǎn)高達(dá)2446°C，在所有金屬中排第七，次于鎢、錸、鋨、鉭、鉬、鈮等。此外，銥金屬非?？垢g，室溫環(huán)境下絕大多數(shù)酸難以對其腐蝕，包括著名的王水（aqua regia）。由于銥金屬的耐熱和耐腐蝕性，因此其在很多高溫、高腐蝕性工作環(huán)境中得到了廣泛的使用。同時，純金屬銥又脆又硬，其莫氏硬度達(dá)到6.5，但非常容易破碎，因此通常組成合金使用。
氫能產(chǎn)業(yè)界和學(xué)界都認(rèn)為銥是最理想的PEM電解水陽極催化材料。主要原因在于，在高電流密度、強(qiáng)氧化性的PEM電解水陽極反應(yīng)環(huán)境下，銥仍然可以保持較高的催化活性和穩(wěn)定性，極大加快析氧反應(yīng)，并在活性與穩(wěn)定性之間取得良好的平衡，因此，在相當(dāng)長的時間內(nèi)，其具有不可取代的作用。
銥金屬在地殼中含量非常稀少–由于其比重較大，在早期地殼運(yùn)動中絕大多數(shù)已經(jīng)沉入地核，其地殼豐度僅為0.000003 PPM。同時，銥金屬一般與其他鉑族貴金屬共生，做為鉑金的伴生礦，其豐度比起同為貴金屬的鉑相比也要低一個數(shù)量級以上，所以銥注定不會成為鉑族金屬礦業(yè)公司的主產(chǎn)品，其產(chǎn)量注定要依據(jù)鉑金的開采產(chǎn)量而決定。
目前，全球銥金屬年開采量僅有5-10噸，且高度集中于南非--最近若干年，南非約生產(chǎn)了全球80-85%的銥。作為鉑的伴生產(chǎn)品，在鉑的產(chǎn)量不發(fā)生較大變化的情況下，銥的產(chǎn)量將會長期維持穩(wěn)定，而鉑的產(chǎn)量在最近若干年始終穩(wěn)定在200噸左右，從而決定了銥的產(chǎn)量難有大規(guī)模的提升。
由于產(chǎn)量極其有限，需求又不斷上升，銥金屬的價格在2021年已經(jīng)上升到約$5000/盎司，遠(yuǎn)高于同期的黃金與鉑（約$1500-2000/盎司），在鉑族貴金屬中，僅次于更加稀少的銠。
包括中國、美國、歐洲等國家和地區(qū)，都已經(jīng)意識到這個問題。美國政府在2022年度國情咨文中明確提到，包括鉑族金屬、重稀土的供應(yīng)，會是零碳、低碳?xì)淠茉窗l(fā)展的一個關(guān)鍵因素；對應(yīng)，美國政府已開始根據(jù)美國1950國防生產(chǎn)法案來采取相應(yīng)措施。
這導(dǎo)致了產(chǎn)業(yè)界對于PEM電解水的產(chǎn)業(yè)前景普遍存在一種憂慮：銥金屬產(chǎn)量穩(wěn)定，需求如不斷上升，將會導(dǎo)致價格飛漲，或者有一天產(chǎn)能供應(yīng)不足，極大制約產(chǎn)業(yè)的正常發(fā)展。
三、
那么，我們就用產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和業(yè)內(nèi)正在開展的前沿研發(fā)，來分析銥貴金屬會否成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，以及如何規(guī)避這個風(fēng)險。
首先，我們來測算技術(shù)發(fā)展對于銥金屬的用量需求變化。
按照業(yè)內(nèi)常用的PEM電解槽銥貴金屬用量mg/cm2（膜電極載量）和mg/w（按照電解槽功率換算）兩個不同維度，當(dāng)下（2022年）市面上商業(yè)出售的主流PEM電解槽技術(shù)，主要在2V 1A/cm2 銥載量2mg/cm2，也暨：2w/cm2--1mg/w，即1毫克/瓦。
而根據(jù)世界主要國家的權(quán)威部門，如美國能源部（DOE）、中國科技部（MOST）相關(guān)研究計(jì)劃目標(biāo)要求，到2025年，PEM電解槽的技術(shù)水平有望達(dá)到1.8v 2A/cm2 膜電極銥載量低于0.5mg/cm2,也暨3.6w/cm2--0.14mg/w，即0.14毫克/瓦，約為2022年單位耗銥量的14%；到2030年，技術(shù)水平將達(dá)到1.7v 3A/cm2 膜電極銥載量0.2mg/cm2，也暨:5.1w/cm2--0.04mg/w，即0.04毫克/瓦，約為2022年單位耗銥量的4%。
銥金屬目前主要應(yīng)用于汽車、制藥等催化劑以及坩堝、OLED等領(lǐng)域，PEM電解槽作為其新的應(yīng)用領(lǐng)域，正處于爆發(fā)階段。
我們假設(shè)隨著全球脫碳對于綠氫需求的爆發(fā)以及PEM電解槽的發(fā)展，每年能夠最多有3噸的銥金屬可供PEM電解水產(chǎn)業(yè)使用。
那么，對應(yīng)2023年、2025年和2030年的產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平，可分別能支撐多少GW的PEM電解槽產(chǎn)能呢？答案是：
可有效滿足產(chǎn)業(yè)界和政策界（中、美、歐）對于PEM電解槽未來發(fā)展的需求預(yù)期。
四、
問題來了，2023年到2030年，將單瓦電解槽貴金屬用量下降到原來的1/25，即從1毫克/瓦降低到0.04毫克/瓦。技術(shù)上可行性到底有多大？該從哪些方面突破呢？
毫無疑問，首先，我們將重點(diǎn)開發(fā)低銥含量的催化劑，降低催化劑中的銥貴金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（wt%）；其次，在漿料配置和膜電極涂布過程中，通過技術(shù)開發(fā)，降低催化劑層的厚度/改變催化劑層的微觀結(jié)構(gòu)以達(dá)到降低膜電極貴金屬載量的目的；再次，輔以有序化模電極或者陽極多孔傳輸層等新技術(shù)方案。
目前，合肥動量守恒公司綠色能源有限公司，依托首席科學(xué)家吉林大學(xué)鄒曉新教授團(tuán)隊(duì)等研究成果，在PEM電解水陽極低銥催化劑研發(fā)和制備上業(yè)內(nèi)領(lǐng)先；依據(jù)其低銥催化劑研發(fā)的最新膜電極，銥載量已可達(dá)到0.5毫克/cm2,0.15毫克/瓦的技術(shù)水平，并已完成定型試驗(yàn)，具備小規(guī)模量產(chǎn)條件。同時，根據(jù)鄒教授團(tuán)隊(duì)承擔(dān)的國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃目標(biāo)，到2025年前，載銥量可進(jìn)一步降低至0.3毫克/cm2的水平。
另一方面，我們也需要通過市場調(diào)節(jié)等非技術(shù)體系降低產(chǎn)業(yè)風(fēng)險。例如市場價格調(diào)節(jié)會進(jìn)一步提升銥金屬價格，達(dá)到或者接近同族銠金屬約$10,000/盎司的地步，這個價格雖然對于PEM電解槽系統(tǒng)的最終價格影響不大（在銥載量極低的情況下），但卻可以有效擠出其他應(yīng)用領(lǐng)域（如銥金筆等），鼓勵這些行業(yè)尋找銥金屬的替代產(chǎn)品。
此外，銥金屬作為重要、稀缺的貴金屬，必須建立銥金屬回收體系，以提高銥金屬的供應(yīng)。目前全球銥金屬回收率僅為40-50%，相對于同族金屬鉑、銠催化劑高達(dá)90%的回收率，明顯偏低。主要原因也是之前銥金屬應(yīng)用有限，產(chǎn)業(yè)界普遍未對銥金屬回收使用給予特別關(guān)注。預(yù)計(jì)這一忽略未來也會迅速得以糾正。
結(jié)論、
由上可見，盡管由于地殼豐度低、且伴生礦鉑金的需求穩(wěn)定，導(dǎo)致商業(yè)化擴(kuò)大銥金屬開采的可能性較低，但通過技術(shù)進(jìn)步、降低PEM系統(tǒng)的單瓦銥用量，以及加大金屬回收，通過價格杠桿將其他非關(guān)鍵領(lǐng)域（如銥金筆）的銥用量轉(zhuǎn)移等方法，將可以有效保證銥金屬不會成為未來PEM電解槽發(fā)展的瓶頸。但另一方面，短期看，銥金屬價格波動可能不可避免，甚至有可能直追銠金屬，成為鉑族金屬新的價格之王。
