油價漲漲漲，新能源再引關注，氫燃料電池將會讓鎢像鈷一樣爆發嗎？

水通過電化學過程分解產生出氫和氧，稱為電解水或電析氫，這是一種已經被認知清潔能源，與太陽能，風能或其他“清潔”能源不同，氫氣可以很容易地儲存，例如氫燃料電池，所以這種新能源概念最近兩年在中國也很火，推動因素有二，一是國家環保減排需求，二是新能源汽車產業推動。

如果要說現在什麼產業是風口上的豬，新能源汽車當仁不讓。由於近段時間油價不斷上漲，人們再次將目光聚焦到新能源汽車產業。自去年國家新能源汽車政策發佈後，所有與新能源汽車相關的企業均成為投資市場的“香餑餑”，引來大量資本爭相進入，但是在這一波熱潮中，獲益最大的還是三元鋰電池，雞犬升天的是“鈷和鋰”。目前我國的市場主導的還是鋰電池汽車，不過特斯拉也好，比亞迪也罷，有許多人並不是那麼看好三元鋰電的技術前景。與此同時，歐盟和日韓等老牌汽車工業強國仍偏執地將重心用於研發氫燃料電池。

中國在這一領域也是不落人後的，近來我國也正不斷加強對氫能的戰略佈局，《能源技術創新行動計畫（2016—2030）》就提到，將氫能與燃料電池技術創新作為重點任務，系統推進燃料電池汽車研發與產業化，力爭到2020年，實現燃料電池汽車批量生產和規模化示範應用。預計2030年，全球氫能產業鏈總投資將達2800億美元；到2050年氫能及氫能技術市場規模將超過2．5萬億美元。雖然目前氫燃料電池仍存在待解難題，但是因為只需最簡單電解水就可以將可再生能源製成氫氣燃料電池儲存使用，在擁有70%海洋面積的地球上，它的原材料隨時可以就地取材，所以氫燃料被稱為“絕對的清潔能源。”

現階段，多國採用電析氫的基本方案是：“利用太陽的力量水分解可以通過電流或通過光催化作用觸發（所以這類制氫廠大多建設在海邊或水源地帶），理想情況下，太陽能將用於產生用於分解的電力。雖然理論上很簡單，但直接太陽能水分解效率太低，因為水只能吸收一小部分光譜。所以還需要借助一些燃料助力。並且將水分解為氫氣和氧氣是一個複雜的過程，需要兩個獨立的反應-析氫反應和析氧反應，每個反應需要一個單獨的電極。雖然氫氣是更有價值的成分，但如果不生產氧氣，也不能生產氫氣。所以，一種稱為催化劑的材料促成這些電化學反應，鉑系貴金屬是用於電解水或燃料電池中最常見的陰極催化劑，然而，鉑金是昂貴和稀有的，金屬的成本約為每公斤30,000美元，全世界80%的鉑產於南非。

不言而喻，制約氫能及燃料電池推廣的主要問題就是制氫成本，由於需要採用鉑系貴金屬作催化劑，缺乏廉價和高效的氧氣催化劑已經在該領域造成了瓶頸。所以現階段人們致力於研究和開發低成本的電解氫催化材料，這些材料有鎳、硒、鈷、鉬、鎢、石墨烯等（包括它們各形態的化合物及各種組合而成的複合材料），在市場最終普及之前，每位科學家都認為自己的研究成果最好，但從持續性和成本上綜合考量，鎢系材料是優勢較突出的一種基礎材料，公認最接近於鉑的材料是納米碳化鎢，甚至有學者認為，經過複合改造的納米碳化鎢其活性不亞於鉑、銥或釕電催化劑。

有些催化劑非常出色，但只能穩定一兩個小時，難堪大任。但碳化鎢催化劑耐用，執行時間超過20小時，測試次數達10,000次，這是由碳化鎢與生俱來的特性決定的。

納米碳化鎢具有鉑族金屬的催化性能可從原子的外層價電子結構進行簡單分析。在還原氣氛或特定氣氛下。鎢金屬表面碳化學鍵能高，能很強地吸附和啟動氣氛中的分子，與碳形成合金—金屬碳化物，能降低金屬表面能，並保持適度表面能允許催化迴圈。另外，形成碳化物後，碳原子將貢獻出外層的四個電子到鎢元素的d電子，與其元素週期表中的右移四列位置元素鉑相同，最終的效果是碳化合後，鎢的電子特性更接近於鉑族金屬，導致碳化鎢的催化性能與鉑族金屬相似。

在水電析氫過程中，可再生能源如太陽能電池或風力渦輪機產生的電能可通過導電支撐材料轉移到碳化鎢片上。電流通向片材的催化活性邊緣，在那裡它被轉移到水分子上，最終分裂成氧氣和氫氣，最後，科學家將這兩種氣體儲存起來，進入加氫站。

氫燃料電池則是電解水的逆反應，當被收集的氫氣進入加氫站，再被加入汽車儲氫罐後，車裡的氫氣和車頭吸入的氧分別供給燃料電池中的陽極和陰極，氫通過陽極向外擴散，並與電解質發生反應，釋放出的電子通過外部的負載到達陰極，與氧催化劑（碳化鎢或鉑或石墨烯等材料）中的化學能直接反應，轉化為電能，最終形成汽車的動力來源。

綜上所述，不管是電析氫或者燃料電池都需要用到催化劑。研究表明，碳化鎢具有較好的析氫性能且過電位較低。當其析氫過電位在200mV時，電流密度為2.53mA/cm²；當過電位為300mV時，電流密度可達到32mA/cm²，其性能接近於鉑，適於作電析氫或燃料電池的陰極催化劑，並且成本便宜很多很多。

從汽車發展趨勢預測，氫燃料電池的發展後勁更足。歐盟和日韓等老牌汽車工業強國偏執地發展氫燃料電池，特別是國際汽車界中的占主導地位的幾家知名企業——寶馬、豐田、本田、現代和起亞等、他們更看好燃料電池的未來，認為燃料電池在能量密度和功率密度上相對於鋰電池更具有絕對優勢，就工況特性而言燃料電池比鋰電池更加適合用作汽車主動力源，就整個產業鏈的角度而言，氫能燃料電池對相關工業鏈整體水準的帶動和提升的要比鋰離子電池產業高一個檔次，只是未來，這一個潛力巨大的風口會有可能帶動鎢產業的提升嗎？

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