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程一兵院士：《创新氢与氨融合技术，助推国家双碳战略》
2026-04-13 19:50:45
作者：程一兵（澳大利亚工程院院士，武汉理工大学学科首席教授）
“双碳”达标目前是推动能源技术革命的最大驱动力。氢能是实现“双碳”达标的重要技术途径，它的来源丰富，可以利用光伏、风电通过电解水制氢。氢既可以通过燃料电池来发电，也是一种高温燃料，所以它是具有高热值、高能量转化性、无毒性的、可再生、可持续的理想清洁能源。除了成本的挑战以外，氢能还有储运方面的诸多难题。氢气非常活泼，在和空气混合以后，容易产生燃烧和爆炸。同时，氢是元素周期表中最小的原子，在高温、高压下可以穿透钢板，因此对储存材料的要求非常高。氢气的液化温度达到-253℃，因此液氢的制备过程能耗很大，安全储运液氢成本高、技术难度大。
国内外有一些研究把氨能作为储氢的一个介质。对氨本身我们并不陌生。氨是化肥，也就是氮气和氢气合成的氨，主要应用于农业、化工、制药等行业，全世界已有大规模生产。全球氨气的年产量达到1.8亿吨，而且液氨输运的技术和安全规范已经非常成熟。现在人们把氨作为一种新能源进行研究，主要是基于两个考量：一是作为储氢介质，同时它还是一个零碳燃料。氨的新能源功能之一是作为氢能载体，因为1个氨含有3个氢和1个氮。它很容易液化，只要-33℃就可以液化，或者在常温下10个大气压就可液化；氨的点火温度比氢高很多，相对氢气要更安全，方便运载。大家在公路上可以看到运氨的车，也可以通过管道运输。现在的思路是氨合成后，一部分用于化肥，另一部分可作为氢能的载体输运。氨的裂解也是非常成熟的技术，加温后变成氮气和氢气。
氨的另一个新能源功能是作为零碳燃料，这是我今天想着重介绍的。氨本身是一种零碳化合物，同时它的能量密度很高，是液氢的1.5倍，它和氧的燃烧反应产物是水和氮气。我们知道氮气约占空气78%，氮气本身并不是一个有害气体，所以氨燃烧是零碳排放。但是氨气作为燃料应用的研究相对较少，全世界目前已知的能高温燃烧的燃料绝大部分都是化石燃料，是含碳的燃料。真正不含碳并具有实用性的燃料只有两种，就是氢和氨。但是氨气燃烧有自己的特点，氨不容易燃烧，这对安全储运是一个优点，但对利用氨能作为燃料增加了技术挑战。对氨燃烧技术，国外做了一些研究，国内做得还不够。
据分析，到2050年、2060年即便全球实现碳中和，仍然有接近1/4的能源要依赖燃料，这一部分燃料靠什么？据分析有六大工业很难摆脱对燃料的依赖，包括海运、长途重载汽车、炼钢、高温工业制造（如玻璃、水泥、陶瓷）、航空、长期储能等。 这些领域对高温燃料的需求可能不可缺少，那么我们怎么办？比如说建材行业，建材制造业是我国碳排放的一个大户，占我国碳排放的14%左右。火力发电、钢铁冶炼都是碳排放大户，因此必须开展低碳或者零碳燃烧技术的研究。陶瓷、水泥、玻璃都是在高于1000多度的高温下制备的，在这些领域用什么做燃料来达到碳中和？从这个角度来说，我们可以考虑用氢和氨进行燃烧。
氨燃料和其它燃料相比，它的能量密度高，具体能量成本比较低，但是氨燃料存在几个挑战：一是燃烧速度和热值都比较低，它的燃烧速度远远低于氢，这对于工业应用有一定问题。二是发热量相对来说比较低，它的热值比其他的天然气、氢都要低，点火比较困难，不太容易点燃和实现稳定燃烧，对于用作燃料来说，如何让它稳定地烧起来就是一个技术挑战。
氢氨融合是国际清洁能源的前瞻性、颠覆性、战略性的技术发展方向，是解决氢能发展的重大瓶颈的有效途径，同时也是实现高温零碳燃料的重要技术路线。氨是一个便于安全输运的储氢介质，同时也是一个可再生的零碳燃料。氨作为一种零碳燃料对硅酸盐建材和火力发电行业实现碳达峰和碳中和具有重要的意义。国外在这个方面已经做了比较早的布局，我们国家还刚刚起步。
作者介绍：
程一兵：澳大利亚工程院院士，武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室教授，澳大利亚蒙纳什大学终身荣誉教授，兼任佛山仙湖实验室战略咨询委员会副主任委员、南昌大学共青城光氢储技术研究院学术委员会主任委员。1975年进入湖北建筑工业学院学习，1988年获英国纽卡斯尔大学冶金与材料工程博士学位，1991年起任教于澳大利亚蒙纳什大学 。程一兵院士首创无压烧结法制备阿尔法塞隆陶瓷，发明可陶瓷化聚合物基复合材料并用于防火电缆商业化生产。研发纤维状染料敏化太阳能电池，开发单极板全固态器件及塑料基板柔性电池技术。近年聚焦氢氨融合新能源技术，提出利用氨作为零碳燃料，推动工业窑炉零碳燃烧技术研发，与陶瓷行业合作完成辊道窑炉技术改造 。曾获得多项澳大利亚国家研究基金会基金项目和工业研究项目；申请专利13项，授权6项；在Science、Nature、Nature Materials、NatureEnergy、Nature Photonics、Nature Communications、Advanced Materials、JACS等国内外权威学术期刊上发表论文500余篇，被引用25000多次，H-Index为77，连续多年入选全球高被引科学家。曾获湖北省优秀外国专家“编钟奖”、澳大利亚合作研究中心联合会最佳发明奖等荣誉。
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