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用“化学铁锅”炖出“硬菜” 已有2人参与
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用“化学铁锅”炖出“硬菜” 150吨/年固态储氢材料氢化镁中试项目现场。受访者供图 ■本报记者 孙丹宁 在东北，一道铁锅炖能烩尽山河百味；在实验室，科学家也用“化学铁锅”炖出了一道“硬菜”。中国科学院大连化学物理研究所（以下简称大连化物所）氢化物能源化学研究中心团队采用“一锅法”的新工艺技术，制备出镁基固态储氢材料，为氢能安上了“固态心脏”。 近期，这项诞生于东北的创新技术，在陕西榆林完成了从实验室到产业化的关键跨越。据悉，以榆林中科洁净能源创新研究院（以下简称榆林创新院）为建设依托方、大连化物所为技术提供方、大连富德金煜新能源有限公司为投资方，三方共建的150吨/年固态储氢材料氢化镁中试项目一次性投料试车成功，并产出合格的氢化镁产品。这是目前我国第一条拥有自主知识产权的百吨级以上氢化镁生产线。 在这场从烧杯到反应塔“破茧成蝶”的演化背后，是一个基础研究团队20多年的积淀。氢化物能源化学研究中心由大连化物所研究员陈萍领衔，开创了金属氮氢、金属硼氮氢及金属碳氮氢等多类储氢材料新体系，引领了国际复合氢化物储氢研究的前沿热潮，研究成果被写进牛津大学编写的《无机化学》一书中。 如今，这群习惯了与试剂瓶对话的科学家，终于把论文里的分子式烙在了祖国大地上。 让氢化镁“一锅出” 时光拨回至2002年。实验室的通风橱里，陈萍正凝视着反应釜中银白色与深灰色交织的粉末。这是她与固态储氢材料故事的起点。 彼时的科研蓝图非常清晰，她想将储氢材料运用在车载技术上，希望有一天能够和汽油、柴油等“分庭抗礼”。于是，她开始研究轻金属锂、镁等与氮气、氢气的反应，开创了金属氮氢储氢材料新体系。其中，氢化镁就是金属氮氢LiMgNH储氢材料的重要成分。 由于LiMgNH具有车载应用前景，迅速成为固态储氢材料的重要分支，引起了美国能源部和部分车企的关注。为了车载梦想，陈萍带领团队持续对该材料进行深入研究和优化。 到2018年，随着国内氢能行业热度渐起，固态储氢材料获得了极大关注，前来交流的企业不断增加，应用场景和需求也不断拓宽。陈萍团队也从德国引进了希望从事固态储氢应用研究的曹湖军博士。 “这时候我们想，能不能把LiMgNH储氢应用出口和原料组成进行调变，关注化工场景，去掉金属锂，只做另一个组分——氢化镁呢？这样反应体系反而更加简单了，而且中国的镁资源十分丰富。”陈萍回忆道。没想到，这个看似“减法”的决策，却意外开启了团队在镁基固态储氢材料研究的新起点。 氢化镁是金属镁与氢气键合的固态化合物，如同将气体冻成“冰块”，其高储氢容量、易于控制的反应特性以及独特的化学性质，使得氢化镁成为镁基固态储氢材料、锂电的负极材料和重要的还原剂，在储能、航空航天、电池制造、金属材料制备、农业、食品工业等多个领域展现出巨大的应用潜力。 “通常氢化镁储氢时，除了氢化镁外，还需要添加一些催化剂使其在更温和的条件下进行反应。我们团队致力于金属氢化物能源化学研究，在氢化物催化方面积累了丰富的经验，研发了性能优异的氢化镁储氢用的独有催化剂。”陈萍介绍道。 传统的制备方法如同炒菜，通常分“两步走”，先将镁在高温高压下加工成氢化镁，再添加催化剂“调料”。这种“先煮肉后加盐”的操作不仅耗时费力，还可能因分步处理导致材料混合不均。 “镁质地柔软、易氧化，固体间反应较为困难，特别是镁的表面容易形成氧化层，这将阻碍其与氢气发生反应，导致反应效率低下，影响储氢性能。”陈萍说，“我们设想，能不能把镁完全暴露在表面，同时加入专有催化剂，使镁和氢气立马产生反应，像东北铁锅炖一样‘一锅出’？” 有了这个想法，他们立马着手做“锅”——定制了一款高速球磨机，在氢气和催化剂的环境下，通过高速的机械动能撞开镁表面的氧化层，使新鲜的镁表面暴露出来，并且立刻与氢气和催化剂形成“分子保鲜膜”，抢在氧气接触前锁住活性表面，最终通过“一锅法”得到了合格的氢化镁储氢材料。 “这就如同制作芝麻团子时如果先搓好面团再撒芝麻，芝麻就只能沾在表面，而我们现在和面时就将芝麻揉进面团，每一口都能尝到香气。”曹湖军比喻道。 从基础研究到应用的转化 在实验室里取得成功后，团队有了一个大胆的想法，他们认为“一锅法”技术具备规模化放大的潜力，不仅能批量生产出社会需要的氢化镁产品，还能为后续推动LiMgNH的应用奠定基础，同时响应国家的能源发展战略，因此希望尝试推进其工业化应用。 然而，本应顺理成章的事情却让陈萍和曹湖军有些犯难。 “我们是一个基础研究团队，从来没做过应用转化，但是我们心里很清楚，固态储氢产品应用范围很广，这个课题肯定是属于基础应用的一部分，也希望看见我们的技术真正应用在日常生活中。”曹湖军说。 但是，研究团队在实验室往往比较容易“理想主义”，要求各项指标参数都必须做到最好，深谙氢化镁的每一个实验流程，却对“生产成本”“设备选型”等工业参数近乎陌生。而工业生产需要的是能够产生经济效益、合格的产品，而不是完美无瑕的“工艺品”。 转机出现在2021年。在一次中国科学院青年创新促进会的活动中，曹湖军来到了榆林创新院，了解到榆林这片土地蕴藏着丰富的可再生资源，且盛产镁。此外，榆林创新院表示，不仅能够提供充足的场地支持，还可以提供一定的资金保障，这与曹湖军的需求不谋而合。在申请项目过程中，他与榆林创新院积极寻找合作企业，并结识了大连富德金煜新能源有限公司总裁吕志辉。 吕志辉曾在大连化物所学习和工作过，在科研成果转化领域深耕多年，先后完成了甲醇制烯烃等大型工业化项目。一听说陈萍和曹湖军团队在做储氢材料，他表示出浓厚的兴趣，还专门来到大连化物所实地交流，了解到氢化镁目前已经通过了实验室小试，他当即表示同意合作。 面对从未涉足的工业化领域，团队成员心中难免忐忑。吕志辉在工业化方面提出了很多建议，并表示：“你们尽管放手去做吧，相关的困难你们不用担心，有我们呢！”短短几句话使犹豫不决的团队坚定了信心。 随后，陈萍团队将技术授权给大连富德金煜新能源有限公司，并与榆林创新院签署了合作合同，三方一起朝着氢化镁工业化生产目标前进。 坚持不懈的信念是成功关键 随着合作的深入，新的问题产生了。 原本在实验室阶段表现卓越的高压高速旋转设备，在工厂中试阶段却难以胜任了，此前的机械力度无法“搅动出”放大十倍、百倍后的原材料，进一步加大扭矩可能导致反应器接口高压泄漏，持续升高温度又会导致镁粉板结。 此时，储氢领域的资深专家熊智涛博士加入团队，为研究注入了新的活力。最终，团队从化工领域的深厚积累中汲取灵感，利用气体流动带动粉末传输，并通过优化搅拌频率，成功将实验室技术适配于大型设备，实现了从实验室研究到工业化生产的关键跨越。 不久之后，一座现代化的氢化镁合成产线诞生了。 在冬天零下15℃的榆林，曹湖军站在高达五层的工业装置之上，感受着刺骨的寒风呼啸而过，内心却涌动着一股暖流。从实验室到工厂的跨越，于他和陈萍而言，已不仅仅是一句空洞的口号，而是团队共同走过的漫长征程的见证。在他们心中，坚持不懈的信念才是推动科研成果成功转化的核心要素。 “如果不相信工业化能够成功，那么我可以找到无数理由来否定技术的市场化前景——安全问题、工艺放大……但我们的催化剂和制取氢化镁的技术都是原创的，我们坚信它们能够走进工厂的大门，最终的结果也印证了我们的判断。” 在与企业的深入交流中，曹湖军逐渐学会了倾听并理解他人的需求。 他坦言：“作为一个专注于基础研究的团队，我们的‘母语’是化学语言，而工程师们则精通机械语言和设计语言。比如，我提供的是化学反应的边界条件，而他们提供的是设备工艺的参数设置，在这中间是有差异的。因此，我们不仅要成为自己领域的专家，也要学会成为彼此的‘翻译’，找到一个沟通的平衡点，才有可能走向成功。” “科研人员、设计人员、施工人员、管理人员与企业家齐心协力、全力以赴，相互尊敬、支持和欣赏，也是此次中试项目取得成功的关键。”曹湖军补充说。 目前，150吨/年固态储氢材料氢化镁中试项目已顺利开车，整条中试生产线现场无人值守、自动化运行，实现了氢化镁的高效化、连续化、数字化生产。该生产线制备出的氢化镁材料，纯度高达90%~99%，循环次数可达千次以上，是传统高压气态储氢密度的4倍，能够提供高安全、高效率、低成本的氢能储运解决方案。 展望未来，团队满怀信心地表示，他们将继续研发性能更优异的储氢材料及其催化剂，同时参与建设产能更大的氢化镁装置，实现生产的全面自动化，为大规模储氢材料的应用提供更为坚实的支撑。 《中国科学报》(2025-03-17 第4版 转移转化) |
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