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21世紀(jì)以來，隨著全球應(yīng)對氣候變化的壓力不斷增大，世界各國也逐漸將碳中和納入國家戰(zhàn)略規(guī)劃里面，人們對于潔凈能源的需求日益增加，以新能源替代化石燃料的過程中，實(shí)現(xiàn)溫室氣體與污染物的排放，最后達(dá)到零碳排放的目的。在這個(gè)時(shí)候，氫能作為21世紀(jì)的“明星”能源，以無污染、零碳排放、高熱值等優(yōu)勢逐漸被越來越多的國家引起重視。
那么在制氫技術(shù)中，被大家所認(rèn)可的最具有前景的太陽能制氫技術(shù)與核能制氫技術(shù)中，哪個(gè)才是未來？
太陽能制氫
太陽能制氫是利用太陽能有光分解制取氫氣,在這個(gè)過程中，太陽能發(fā)電和電解水兩部分組合成為太陽能制氫系統(tǒng)。截至目前，太陽能制氫主要有以下幾種技術(shù)：光催化法制氫、人工光合作用制氫、熱化學(xué)法制氫、生物制氫、光電化學(xué)分解法制氫。
① 光催化法制氫
半導(dǎo)體TiO2及層狀金屬化合物、過渡金屬氧化物利用可見光催化材料，在一定的光照條件下催化分解水產(chǎn)生氫氣，但是現(xiàn)在的技術(shù)中利用催化劑光解水的效率只有1% ～2%，還比較低。目前對于該項(xiàng)研究主要在金屬配合物和半導(dǎo)體體系方面，半導(dǎo)體光催化在原理上與光電化學(xué)池比較類似，但是與光電化學(xué)池相比，半導(dǎo)體放氫過程大大簡化，因此在研究中可加入電子來提高放氫效率。
② 人工光合作用制氫
人工光合作用是對植物光合作用進(jìn)行模擬，利用太陽光制氫。簡單來說，人工光合作用制氫過程與水電解類似，區(qū)別在于其利用太陽能代替了電能。但是現(xiàn)在此項(xiàng)技術(shù)對于光能利用率也比較低，只有15%--16%，但這絕對是未來發(fā)展的一個(gè)方向。
③ 熱化學(xué)制氫
熱化學(xué)制氫是最簡單的方法，利用太陽能直接分解水制氫，簡言之即用太陽能聚光器收集太陽能直接將水加熱至3000K以上的溫度從而分解為氫氣和氧氣的過程。但是這種方法存在①高溫下氫氣和氧氣的分離；②高溫太陽能反應(yīng)器的材料兩個(gè)問題。此項(xiàng)方法技術(shù)可在低于1000K的溫度下進(jìn)行，并且制氫效率可達(dá)50%左右，許多專家認(rèn)為，相較于其他太陽能制氫技術(shù)這是比較有前景的制氫方法。
④ 生物制氫
生物制氫是利用光和生物、發(fā)酵細(xì)菌中存在的與制氫相關(guān)的酶，主要的是固氮酶和氫酶，生物制氫技術(shù)除了本身具有節(jié)能、不消耗礦物、清潔等優(yōu)勢，生物體作為一種可再生能源還能自身繁殖復(fù)制，利用光合作用進(jìn)行物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)換，并且這種轉(zhuǎn)換在常溫常壓下也可以進(jìn)行。充分的太陽光照是光和生物制氫的關(guān)鍵，因此，合理對生物制氫反應(yīng)器中的光提取器和聚光系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。生物制氫的前景雖然很好，但是如何培養(yǎng)高效的制氫生物仍是有待研究的方面。
⑤ 光電化學(xué)分解
光電化學(xué)分解水原理可簡單概括為：半導(dǎo)體光電極在太陽光激發(fā)作用下產(chǎn)生光生電子和空穴，部分光生電子和空穴經(jīng)過外加偏壓驅(qū)動(dòng)分離，在電解池陽極上實(shí)現(xiàn)水氧化反應(yīng)，同時(shí)在陰極實(shí)現(xiàn)質(zhì)子還原反應(yīng)?？偟膩碚f，半導(dǎo)體載流子復(fù)合主要包括輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合。
總的來說，太陽能制氫在不同的技術(shù)方面就是充分利用太陽能，再通過不同的技術(shù)手段來對氫進(jìn)行提取。
核能制氫
與太陽能制氫相比，核能制氫除了有高效、清潔等優(yōu)勢外，還具有可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。核能與氫能發(fā)生碰撞，在生能源和利用能源兩方面的過程基本實(shí)現(xiàn)清潔化。核能制氫在目前主要有熱化學(xué)制氫、電解水制氫兩種方法。
① 熱化學(xué)制氫
熱化學(xué)制氫轉(zhuǎn)換效率較高，在高溫條件下，效率預(yù)計(jì)可達(dá)50%以上，甚至與發(fā)電結(jié)合在一起，還能將效率提升至60%。我國目前在熱化學(xué)制氫的最關(guān)鍵技術(shù)高溫冷氣堆已居于全球領(lǐng)先地位，在國家“863”計(jì)劃支持下，在2001年建成10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆，并在2003年正式運(yùn)行，對核能制氫技術(shù)的研究也列為專項(xiàng)的研發(fā)項(xiàng)目，我國已具備核能制氫的基本條件。
② 電解水制氫
電解水制氫是比較方便也是大家談及比較多的一種制氫方法，就是利用核電給電解水裝置供電，讓水發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，從而分解成氫氣和氧氣，但是制氫效率比較低。根據(jù)調(diào)查顯示，美國開發(fā)的SPE法可將電解效率提升至90%。
德國、日本、美國等國家將氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展提升到國家能源發(fā)展的戰(zhàn)略高度。據(jù)預(yù)測數(shù)據(jù)表明，未來的能源需求中，2025年可再生能源占比將會增加至36%，而氫能占11%；2050年可再生能源占比將會增加至69%，氫能占34%。在太陽能制氫方面和核能制氫都最終為“氫能時(shí)代”的到來開辟道路，是未來能源發(fā)展的一個(gè)方向。
