鎳催化劑在交通運(yùn)輸脫碳中的應(yīng)用

鎳催化劑在生物柴油、可再生柴油和可持續(xù)航空燃料的生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用。不論是在陸運(yùn)、海運(yùn)還是空運(yùn)中，鎳催化劑在運(yùn)輸行業(yè)所需的能源轉(zhuǎn)化中都起著關(guān)鍵作用。此外，鎳催化劑還可用于制氫水電解槽。氫氣可以直接燃燒，用于燃料電池，用于加氫處理其他可再生燃料，也可轉(zhuǎn)化為另一種燃料，如甲醇或氨。氫氣還可以用于其他化學(xué)品的凈零生產(chǎn)，或用于鐵礦石煉鋼。

電解槽和燃料電池

電解槽將水分解成氫和氧。燃料電池是一種反向電解槽，通過將氧氣和氫氣結(jié)合成水來產(chǎn)生電能。當(dāng)使用可再生能源制氫時(shí)，這種氫被稱為“綠”氫，國(guó)際能源署預(yù)測(cè)，未來?25?年對(duì)綠氫的需求將呈爆炸式增長(zhǎng)。

目前可供使用的電解槽有四種：聚 合 物 電 解 質(zhì) 膜（也 稱 為質(zhì) 子交換膜，PEM）、堿性水電解槽（AWE）、陰離子交換膜（AEM）和固體氧化物電解池（SOEC）。雖然?PEM?電解槽效率最高，但它需要使用鉑和銥作為電催化劑，而其他三種技術(shù)使用鎳基電催化劑。在含鎳的電解槽類型中，AWE?是商業(yè)上最先進(jìn)的。AWE?的陽極、陰極和電解槽流場(chǎng)組件中均含有鎳。

流場(chǎng)由一個(gè)松散的鎳網(wǎng)組成，以便于傳輸電解質(zhì)和析出氣體。陽極通常是由燒結(jié)纖維組成的工程鎳網(wǎng)，而陰極是涂有催化劑的類似鎳?yán)w維網(wǎng)。這些催化劑是供應(yīng)商專用的，但常用的是?Ni、Fe、Ox。

不同催化劑的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

因?yàn)锳WE的資本成本相對(duì)較低，所以使用的越來越多，但為了最大限度降低生產(chǎn)成本和滿足可再生電力的需求，AEM和SOEC也正在被引進(jìn)。與?AWE?相比，AEM?的電效率更高，使用的材料也類似，因此通常認(rèn)為是?AWE與?PEM?的中間體。

與?AWE?一樣，AEM?使用鎳網(wǎng)來控制流量和輸送電流，也使用鎳催化劑。與?AEW?中使用的相對(duì)簡(jiǎn)單的催化劑相比，AEM催化劑往往設(shè)計(jì)得更高級(jí)。建議使用的具有高性能的陽極催化劑包括附在碳紙上的?NiFe?層狀雙氫氧化物和附在?Ni泡沫上的?NiCoSe合金。陰極催化劑傾向于采用附在鎳網(wǎng)上的?NiFe和NiCo合金。

SOEC可在非常高的溫度下（>600℃）運(yùn)行，并具有較高效率，能夠?qū)U熱集成到工業(yè)應(yīng)用中。在SOEC?中，電催化劑（通常是鎳金屬顆粒）直接附在電解質(zhì)上，電解質(zhì)是一種在高操作溫度下對(duì)離子導(dǎo)電的金屬氧化物。

獨(dú)一無二的鎳

這些僅僅是使用鎳催化劑和其他成分在未來低碳環(huán)境中發(fā)揮作用的例子。鎳相對(duì)較低的成本，對(duì)腐蝕性物質(zhì)的惰性，以及在電解槽中的具體性能特點(diǎn)，使其成為這些新興技術(shù)不可替代的一部分。

B型鎳基合金推出100周年

在?20?世紀(jì)?30?年代初推出主力“C”系列鎳基（鎳鉻鉬）合金之前，人們已經(jīng)對(duì)鎳鉬合金的成分進(jìn)行了研究。鎳鉬合金成分最終在?1921?年被授予專利，在?1923?年引進(jìn)了鎳含量為?60%、鉬含量為?30%?的?B?型鎳基（鎳鉬）合金。

B型合金具有特殊的耐還原酸能力，主要在鹽酸、硫酸以及乙酸、磷酸和甲酸環(huán)境中使用，但對(duì)氧化環(huán)境的耐腐蝕性較差。因此，不建議在氧化介質(zhì)中，或在可能導(dǎo)致快速過早腐蝕的鐵鹽或銅鹽的環(huán)境中使用。當(dāng)鹽酸與鐵和銅接觸時(shí)，可能會(huì)形成這種鹽，具體應(yīng)用包括反應(yīng)容器、熱交換器、閥門、泵和管道。 

在第二次世界大戰(zhàn)之前，B?型合金在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓器渦輪葉片中使用，以提高性能、增加馬力。這一應(yīng)用最終被其他超合金取代。 

20?世紀(jì)?70?年代推出的?B-2?合金是原始?B合金?成分的改進(jìn)型。它的特點(diǎn)是減少硅和碳的含量，以提高熱穩(wěn)定性，抵制晶界碳化物的形成。這種耐腐蝕性的改善尤其有利于焊接后的熱影響區(qū)。 

在?B-3?型合金中，該成分被進(jìn)一步優(yōu)化，以提高熱穩(wěn)定性和制造特性，以及應(yīng)力腐蝕開裂的抗性。

鉬主要對(duì)酸性還原環(huán)境具有耐腐蝕性，但鎳基為工程合金提供了基礎(chǔ)，并為制造和焊接到工業(yè)設(shè)備中提供便利。

引導(dǎo)可持續(xù)海洋燃料的發(fā)展

國(guó)際海事組織（IMO）的目標(biāo)是到2050年將溫室氣體總排放量（GHG）減少至少?50%。基于此，含鎳不銹鋼將在所考慮方案中發(fā)揮重要作用。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，海洋產(chǎn)業(yè)需要低碳、碳中和、零碳燃料。三個(gè)主要選擇是氫、氨和甲醇。甲醇最容易處理，因?yàn)樗谑覝叵录纯杀３忠簯B(tài)，而氫和氨需要分別在?-33℃?和?-253℃下保持液態(tài)。

氫

氫作為燃料，可以燃燒也可以通過燃料電池發(fā)電。然而，液態(tài)氫在-253℃?的存儲(chǔ)更為復(fù)雜，由于其體積能量密度較低，所以需要比甲醇和氨水更大的儲(chǔ)罐。如果可以建造專用的海洋油輪（氫也能為船舶提供燃料），氫作為燃料是可行的。

目前，氫氣是通過天然氣的蒸汽重整來生產(chǎn)的。為了實(shí)現(xiàn)碳中和或零碳，需要使用可再生能源或核能將水電解，或通過蒸汽重整，包括碳捕獲。

氫氣的特殊性質(zhì)對(duì)材料提出了很高要求。例如，含鎳不銹鋼能抵抗氫對(duì)其性能的滲透和降解，而?-253℃的存儲(chǔ)特點(diǎn)要求含鎳不銹鋼在極低溫下具有韌性。

氨

人們對(duì)氨的興趣也很大。雖然其毒性很高，但常應(yīng)用于氮基化肥的生產(chǎn)過程。使用氨作為內(nèi)燃?xì)獾闹苯犹娲剂系挠?jì)劃項(xiàng)目包括：日本?NYK將現(xiàn)有拖船從液化天然氣燃料改造為氨燃料，以 及Viking?Energy將海上供應(yīng)船轉(zhuǎn)換為氨燃料電池。

氨通過哈柏法生產(chǎn)。該工藝是在高溫高壓下使用金屬催化劑使大氣中的氮?dú)夂蜌錃夥磻?yīng)。含鎳不銹鋼在此過程中的幾個(gè)環(huán)節(jié)是必須可少的。

甲醇

甲醇目前被用作船用燃料，但它是一種由天然氣生產(chǎn)的碳基燃料。雖然可以從生物質(zhì)中生產(chǎn)碳中和甲醇，但也有通過二氧化碳和氫氣反應(yīng)來生產(chǎn)甲醇的技術(shù)。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，含鎳不銹鋼在生產(chǎn)可持續(xù)船用燃料以減少溫室氣體的排放方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。