氫氣，是自然界中最小的分子，最輕的氣體。氫氣雖然“身材”小，但蘊含著巨大的能量——同等質量下，燃燒1克氫能釋放出的熱量相當于汽油的3倍、煤炭的4.5倍，是自然界中能量密度最高的燃料。氫能渾身是寶。然而這樣的理想能源卻面臨著巨大的儲運難題。
面向西部地區能源大基地的發展需求，為助力能源轉型和產業低碳化、高端化發展，蘭州大學成立了氫能與低碳中心。“中心將堅持‘政產學研用’深度融合，聚焦高原環境下的氫能關鍵技術攻關，積極推進面向西部的氫能技術標準制定與低碳系統解決方案研發。”蘭州大學校長楊勇平說。
提出新型塔式光伏-光熱復合發電系統，在充分利用太陽能全譜資源的基礎上，實現了光電與熱能協同發電，綜合效率提升6.3%；建立大尺寸多孔材料合成方法學，率先突破了共價有機多孔單晶的創制瓶頸；在薄膜太陽電池、非摻雜異質結晶硅太陽電池、鋰離子電池等方面做出了具有顯示度的開創性研究工作；揭示氫脆的微觀機制，并開發出新型抗氫脆材料及表面防護技術……近年來，蘭州大學發揮多學科優勢，強化協同創新，用技術創新助力能源變革。
劉奇明與校企聯合培養研究生在光伏設施前討論。蘭州大學供圖。
兼顧成本提升電池效率
光伏組件整齊排列，捕捉每一縷陽光，并直接將其轉化為源源不斷的清潔電力，供給千家萬戶……這就是光伏發電，作為清潔能源的代表，正引領全球能源轉型。而在光伏發電過程中，半導體材料單晶硅扮演著至關重要的角色。
在從光伏研究到高性價比儲能器件的開發方面，蘭州大學有著豐富的科研經驗。自上世紀80年代起，在陳光華教授等老一輩科學家的帶領下，學校科研團隊開始從事半導體材料以及相關器件的研究，并成功研制出當時性能領先的非晶硅薄膜太陽電池。
“目前在眾多太陽電池光電活性層材料中，單晶硅因元素豐度高、結構與性能穩定以及成熟的制備工藝而備受青睞。”蘭州大學材料與能源學院副院長栗軍帥教授介紹說。
栗軍帥教授團隊與隆基綠能科技股份有限公司（以下簡稱隆基綠能）緊密開展合作，團隊成員劉奇明副教授、王子磊青年研究員以及部分專業學位博士研究生長駐隆基綠能，依托企業的研發和產業化優勢，圍繞新工藝、新結構開發，提升電池效率。
近期，團隊參與的企業核心研發工作也取得新突破。
“我們和隆基綠能合作將全面積商業尺寸（350cm2）晶硅太陽電池的光電轉化效率提升至27.03%，創造了新的世界紀錄。”栗軍帥介紹說，在太陽電池中，光電轉換效率是衡量其將光能轉化為電能的核心關鍵指標。圍繞該指標的突破，團隊一直致力于和企業合作，努力攻克背后的關鍵科學和技術問題。
“太陽電池和手機、電腦等其他消費類產品一樣，要滿足市場需要和消費者的心理預期，就要努力做到性能更好、價格更低。”栗軍帥解釋到，更高的性能通常意味著更復雜的結構和工藝，這一般會推高成本。
要解決企業問題，助推行業健康發展，就要兼顧成本和性能。“我們的工作就是在提升性能的同時，保證成本沒有明顯的提高，價格甚至會降低。”栗軍帥說。
“材料與能源學院在光伏領域開展研究的同時，現在也聚焦鋰離子電池、鈉離子電池以及鋰硫電池、鈉硫電池、全固態電池等新興儲能技術的研發。”蘭州大學材料與能源學院院長賀德衍介紹，學院致力于在科學研究中不斷引導老師們解決實際問題，用技術創新推動能源變革。
2021年12月，蘭州大學與隆基綠能聯合成立了隆基未來技術研究院，研究院主要聚焦清潔能源技術、材料和器件開展科研攻關和技術開發。在校企合作的過程中，材料與能源學院團隊還針對晶硅廢料的利用做出了卓有成效的工作。
在單晶硅生產過程中，石英坩堝是核心部件之一。基于對單晶硅純度的要求，過去拉單晶過程中，石英坩堝一次或幾次拉晶完成后即報廢，被視為一次性物品。
“我們和隆基綠能合作過程中，企業提出開發和技術儲備需求，希望把從硅片切割過程中產生的廢料再次利用。”材料與能源學院劉德全教授說，團隊將晶硅廢料轉化為二氧化硅，做成坩堝，實現了晶硅廢料的再次利用。
唐瑜課題組制備的系列稀土鎂基儲氫材料樣品。蘭州大學供圖。
發揮優勢開發儲氫材料
6月初，在蘭州大學化學化工學院的一間實驗室里，唐瑜教授團隊的同學們正緊鑼密鼓地調控團隊制備的固態儲氫合金材料樣品，測試其儲氫性能。
這些樣品是團隊將稀土元素、過渡金屬和鎂原子結合，為氫氣打造的一個微觀的“牢籠”，將氫氣固定在這些“牢籠”里，未來有望成為儲氫電池材料，在小型電動自行車和電動車上使用。
在常溫常壓狀態下，儲存1噸氫氣需占據1.1萬立方米以上的空間，相當于5個標準游泳池的容積總和，大規模運輸和存儲氫氣的難度可想而知。因此，發展高效、安全的儲運技術是氫能產業進一步蓬勃發展的關鍵所在。
唐瑜介紹，目前氫氣主要的儲運方式有高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫、有機液態儲氫和固態儲氫等4種技術路線。高壓氣態儲氫將氫氣加壓至數百倍大氣壓后，儲存到特制鋼瓶中，壓縮能耗高、運輸成本大；低溫液態儲氫是將氫氣壓縮后，冷卻至-253℃使其變為液氫，并儲存在低溫絕熱的真空容器中，存在液化能耗大、自揮發等缺點；有機液態儲氫密度高、安全性好，但脫氫催化復雜。
“固態儲氫被視為最具前景的技術路徑，但從高質量工業應用長遠發展看，亟需開發具備高儲氫容量、高安全性、吸/放氫速率快、循環壽命長、低成本的儲氫材料。”唐瑜說，固體儲氫是將氫原子固定于金屬晶格、化學分子或多孔材料中，具有高儲氫密度、能效高、安全性好等優勢。
目前，多數固態儲氫材料仍需300℃的高溫才能實現高效釋氫。探索和開發具有大儲氫容量、適當工作溫度和壓力的氫儲存材料成為團隊追求的目標。基于團隊在稀土功能材料基礎理論研究、高端功能應用開發及產品中試方面的深厚工作積累，團隊選擇嘗試開發稀土儲氫材料。
“我們課題組重點關注稀土-鎂基固態儲氫合金材料的發展和當前急需解決的關鍵科學問題。”正在唐瑜課題組從事博士后研究的張福介紹，稀土儲氫合金相較于傳統儲氫材料，安全性好，能夠在單位體積內儲存更多氫氣，顯著提升氫能儲存和運輸效率。
在確定了技術路線后，團隊通過合金化+納米化、合金化+納米結構催化相調控等復合方法來提升儲氫動力學與熱力學、固態儲氫容量、循環壽命及降低生產成本，并最終制備出了系列樣品。
“我們發現在合金化與催化過程中，有效降低了氫化鎂的分解能壘，吸放氫平衡時間從小時級縮短至分鐘級，形成200-300℃的寬溫域工作溫度，提高了實際儲氫容量和循環壽命。”張福說。
在分析測試樣品儲氫性能的同時，團隊還將利用AI技術在海量的合金成分和合成方法中快速篩選出具有優異性能的候選材料。“長遠來看，我們希望推動材料的規模化生產，采用可控的批量化生產技術進行中試驗證，提高合金的生產穩定性和一致性。”唐瑜說。
“液態陽光”技術：變廢為寶的綠色能源方案
在蘭州新區化工園區內，一座覆蓋著光伏板的山丘在陽光下熠熠生輝，蔚為壯觀。這是由蘭州大學氫能與低碳中心主任李燦院士團隊領銜建設的全球首套千噸級“液態陽光合成規模化示范工程”的光伏發電場。該工程的核心目標，是將太陽能高效轉化為電能，并驅動后續的化學轉化過程。
該技術的路徑清晰而創新：首先，利用太陽能（可再生能源）發電，并采用電解水技術制備“綠氫”；隨后，氫氣與二氧化碳反應生成甲醇。這一過程巧妙地將太陽能以化學能的形式儲存在液態甲醇中，因此被稱為“液態陽光”。
“‘液態陽光’的核心突破在于將氫氣轉化為甲醇，”李燦解釋道，“甲醇作為液態燃料，其儲存和運輸難度遠低于氣態氫，并能充分利用現有的燃料基礎設施，從而高效解決了氫能的儲運瓶頸。”這項歷時20年的技術攻關始于2001年，李燦團隊聚焦于太陽燃料研究。其中，高效率、大規模的電解水制氫技術，以及將“綠氫”與二氧化碳高效催化轉化為甲醇的技術，構成了“液態陽光”甲醇制備的核心。
“甲醇不僅是重要的大宗化學品中間體，也是一種優良的清潔燃料，同時它還是解決綠氫儲運難題的理想載體分子。”李燦團隊成員、蘭州大學李澤龍教授解釋，在合成甲醇后，甲醇作為液態儲氫介質實現了安全便捷的長距離運輸；最終在應用端，通過甲醇重整技術現場釋放氫氣。
這一路徑不僅破解了綠氫儲運難題，更關鍵的是實現了二氧化碳的資源化循環利用。
“在部分領域，綠氫可直接替代化石能源實現源頭減排。然而，工業中仍存在大量難以避免的‘剛性’二氧化碳排放。”李澤龍說，“‘液態陽光’技術的價值在于它能利用綠氫將這些剛性排放的二氧化碳轉化為有價值的化學品或燃料，真正實現‘變廢為寶’，同時達成二氧化碳減排目標。”
這一技術的產業化進程正在加速。2024年，中煤集團在內蒙古鄂爾多斯正式啟動了全球首個十萬噸級“液態陽光”燃料合成項目。李燦算了一筆環保賬：“生產10萬噸液態陽光甲醇，相當于回收利用了約14萬噸二氧化碳。這對推動國家‘碳達峰’與‘碳中和’目標具有顯著效益。”
目前，李燦團隊研發的電解水制氫（電解槽）技術已達到國際先進水平，成功實現了裝置規模、能源轉化效率及運行穩定性的同步提升，為“液態陽光”技術的規模化應用奠定了堅實基礎。
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