新材料是新能源、電子信息、航空航天和生命健康等高新技術(shù)發(fā)展的基石和先導，是處于各個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈最上游、技術(shù)壁壘最高的部分，將為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命提供堅實(shí)的物質(zhì)基礎。氫能產(chǎn)業(yè)鏈主要包括氫氣制備、氫氣分離與提純、氫氣存儲、氫能轉換等環(huán)節(圖1)，對新材料提出了越來(lái)越迫切的需求。

1、制氫新材料

長(cháng)期以來(lái)，氫氣主要依靠天然氣及煤等非可再生化石資源的重整來(lái)獲得，存在不可持續且不環(huán)保等問(wèn)題，而利用可再生能源(如太陽(yáng)能)，通過(guò)電解水制氫或光解水制氫是實(shí)現綠色可持續制氫的理想途徑。其中，電解水制氫對新材料的核心要求是開(kāi)發(fā)高效且穩定的非貴金屬催化材料，而光解水制氫對新材料的核心要求是研制高效且穩定的寬光譜吸光半導體材料。目前，電解水制氫催化劑主要以貴金屬(如鉑、氧化銥及氧化釕等)為主，其資源稀缺性及高昂的價(jià)格使其無(wú)法在大規模工業(yè)化制氫中應用，因此迫切需要開(kāi)發(fā)地殼含量豐富、成本低、制備方法簡(jiǎn)單且催化活性?xún)?yōu)異的非貴金屬催化材料。非貴金屬電催化材料種類(lèi)繁多，其中極具發(fā)展潛力的材料主要由鐵、鈷、鎳、鉬、鎢等過(guò)渡金屬元素及氧、硫、硒、氮、磷、碳等非金屬元素組成。在各類(lèi)新型催化材料中，過(guò)渡金屬合金、過(guò)渡金屬(氫)氧化物、過(guò)渡金屬硫族化合物、過(guò)渡金屬氮化物及磷化物等材料備受關(guān)注。制氫催化劑的研發(fā)主要以減少或替代貴金屬催化劑為目標，不斷發(fā)掘有潛力的新型催化材料，通過(guò)優(yōu)化成分、形貌及物相等策略，盡可能地增加催化劑的活性位點(diǎn)數目并提高單個(gè)活性位點(diǎn)的活性，最終提升整體催化活性及穩定性。同時(shí)，探索原子尺度新材料(如亞納米級或單原子級催化材料)，以獲得與貴金屬相當的催化性能是一個(gè)研究重點(diǎn)。

2、氫氣分離和提純新材料

制氫過(guò)程中通常會(huì )不可避免地混入其他雜質(zhì)氣體，如甲烷蒸汽重整制氫中含有一定量的CO2及CO，電解水及光解水制氫中含有氧氣(尤其是粉體光催化制氫)。因此，在氫氣利用之前，需要對其進(jìn)行分離和提純。氫氣的分離與提純技術(shù)主要包括變壓吸附、分餾/低溫精餾及膜分離等技術(shù)。其中，膜分離技術(shù)因具有能耗低、可連續運行、成本低及操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，是最具應用前景的氫氣分離技術(shù)。膜材料是膜分離技術(shù)的基礎和核心，主要包括有機膜、無(wú)機膜及有機無(wú)機雜化膜三類(lèi)。有機膜的典型代表是高分子膜，如純相高分子膜、多相高分子膜及高分子混合基質(zhì)膜等。這類(lèi)材料是最早投入商業(yè)化應用的膜材料，也是目前市場(chǎng)上主流的氣體分離材料，具有成本低及易制備等優(yōu)點(diǎn)，但存在耐高溫和耐腐蝕性能差等缺點(diǎn)。高分子膜材料的研究重點(diǎn)是通過(guò)優(yōu)化成膜工藝，調控膜的孔道尺寸與結構，提高其分離性能。無(wú)機膜主要包括碳基膜材料、硅基膜材料、金屬類(lèi)膜材料及沸石類(lèi)膜材料等，研究重點(diǎn)是優(yōu)化制備參數，調控膜的孔徑及孔結構，獲得與目標篩分氣體相匹配的性質(zhì)。與高分子膜材料相比，無(wú)機膜具有較好的耐高溫及耐腐蝕性能，但因其組成與結構相對固定，調控自由度相對較低。有機/無(wú)機雜化膜的典型代表是金屬有機框架膜材料，由有機配體和金屬單元自組裝形成周期性的網(wǎng)絡(luò )結構，具有多樣化的孔道結構，可根據具體應用場(chǎng)景進(jìn)行靈活調控。由于有機配體和金屬中心離子之間有多種組合，其衍生物較多，易實(shí)現多種功能。氫氣分離與提純膜材料在應用過(guò)程中需要解決的重點(diǎn)問(wèn)題是提高其服役過(guò)程中的穩定性、實(shí)現大面積及高質(zhì)量可控制備、降低維護成本等。

3、儲氫新材料

氫氣在常溫常壓下具有密度低、易燃燒及易擴散的特點(diǎn)，為其儲存帶來(lái)極大的挑戰。如何實(shí)現安全可靠且高效儲氫是亟待解決的技術(shù)難題之一。目前，儲氫方法主要有高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫及固態(tài)儲氫等途徑，中長(cháng)期內主要以高壓氣態(tài)儲氫為主，最終目標是實(shí)現高效固態(tài)儲氫。高壓氣態(tài)儲氫是應用最廣泛的一種儲氫方式，其技術(shù)核心在于內膽材料、外層碳纖維材料及其纏繞成型技術(shù)。繼高壓氣態(tài)儲氫及低溫液態(tài)儲氫之后，利用固體材料及有機液體材料進(jìn)行儲氫，已逐漸發(fā)展成為一種極具潛力的儲氫方式。雖然關(guān)于儲氫材料的研究已近半個(gè)世紀，但目前仍處于探索階段，尚無(wú)大規模應用實(shí)例，這主要是因為缺乏廉價(jià)、高效、長(cháng)壽命的新型儲氫材料。理想的儲氫材料需同時(shí)滿(mǎn)足一系列苛刻條件，如儲氫密度高、儲放氫速度快且工作條件溫和、可逆循環(huán)性能好、使用壽命長(cháng)等。目前已有多種材料被用于儲氫研究，主要包括無(wú)機材料與有機材料兩大類(lèi)。其中，無(wú)機儲氫材料主要有金屬與金屬合金、配位氫化物及碳基材料等，有機材料主要有有機框架化合物、有機液體及多孔高分子等。從目前的研究熱點(diǎn)來(lái)看，儲氫材料已從傳統金屬及合金逐漸轉變?yōu)橐暂p質(zhì)元素氫化物(如配位氫化物等)和多孔吸附材料(如金屬有機框架結構)為主。

4、氫能轉換中的新材料

氫氣目前主要作為工業(yè)原料應用于石油、化工、化肥及冶金等領(lǐng)域，如合成氨、石油精煉及甲醇生產(chǎn)，三大領(lǐng)域占比約為90%，而其作為清潔燃料及其他方面的應用僅占10%。氫氣作為燃料最具吸引力的應用是燃料電池(用于發(fā)電、新能源車(chē)等)，其最終的產(chǎn)物是水，可實(shí)現真正的零污染。但目前燃料電池主要使用貴金屬鉑及其合金作為氧還原及氫氧化的催化劑，成本仍較高。一般來(lái)說(shuō)，燃料電池中貴金屬成本約占整個(gè)燃料電池成本的40%。同制氫新材料發(fā)展目標和趨勢類(lèi)似，在保持催化性能不變的情況下，大幅度降低貴金屬的用量是當前亟待突破的瓶頸。中長(cháng)期目標是部分替代貴金屬，而長(cháng)遠目標則是使用不含貴金屬且廉價(jià)的新型高效催化材料。