“双碳”背景下新材料助力多领域发展

阅读:35时间:2022-04-07

引言

2020年9月,中国首次明确提出2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”目标。当年10月,中共中央、国务院《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》以及国务院《2030年前碳达峰行动方案》两个重要文件出台,成为我国双碳“1+N”政策体系的顶层设计,随后各个重点领域的配套政策陆续迅速出台。

 

 

“双碳”目标的达成与新材料息息相关,新材料研发和应用是双碳战略的核心支撑技术领域之一。虽然材料科学并非我本人专业领域,但是作为一名产业投资从业人员,新材料研发、新工艺创新是我一直关注的重要方向,也是关乎众多传统产业降低单位产出能耗并实现绿色可持续发展的基础。

 

长期来看,全球气候变暖会伴随降水格局改变、冰川和冻土消融、海平面上升等一系列复杂的气候与环境变化,对人类活动为主的陆地生态系统的结构与功能产生深远的影响。除了自然因素诱发的全球变暖,人类工业活动中大量利用石油、天然气等碳储能源产生的碳排放进一步加速了全球增温。

 

人类工业革命以来,碳储能源耗用得越来越多,导致地球变暖的主要温室气体CO2大量的源源不断的排放到大气中,造成所谓“温室效应”。尽管甲烷、氧化亚氮等非CO2温室气体由于其较高的全球变暖潜值也会带来不可忽视的温室效应,但由于CO2是更易于操作可量化的指标,学术和产业界通常都以碳排放量作为衡量全球气候变暖和温室效应变化程度的度量指标,因此包括中国在内的世界各国提出的碳中和、碳达峰战略主要是实现CO2的“净零排放”。

 

2018年联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)的预测数据显示,地球表面全年平均温度预计在半个世纪内将增加1.5 ℃,若要实现《巴黎协定》中2℃控温目标,全球必须在2050年达到CO2净零排放,在2067年实现甲烷等温室气体的排放量平衡于抵消量。截至2020年10月,世界上197个国家中已有126个提出了本世纪碳中和目标,中国则于2020年9月提出了“2030碳达峰、2060碳中和”的目标。

 

 

在“双碳”背景下,开发和利用光伏、风、电等可再生能源,替代化石能源,加快能源结构调整和加大新能源产业布局,将是我国实现“双碳”的根本途径,而材料在这一进程中将起到决定性的作用。在能源革命浪潮中,新材料作为重要的国家战略,能够积极有效地推进传统能源向绿色能源的转型发展,特别是颠覆性新材料技术及其产业化,将对实现“双碳”减排目标起到决定性的作用。

 

此外,我国建筑面积规模位居世界第一,仅在建筑过程中的碳排放就达到21亿吨,约占我国碳排放总量的20%,因此建筑行业的节能减碳也是我国推进碳达峰、碳中和目标的关键。同时,通过大力开展半导材料和石墨烯等高科技电子信息战略材料的研发,风力发电机、光伏面板、动力电池等将成为零碳工业革命至关重要的能量来源,智慧电网和人工智能技术也将构建更加高效的能源传输体系,源源不断地为人类社会创造更低成本的绿色无污染动力。

 

1. 光电新材料引领能源革命

 

 

1.1 光催化材料

光催化材料又称光触媒材料,是指在光子的激发下能够催化实现光化学反应的一类催化剂材料,光催化材料通过光诱发强氧化自由基•OH产生,进而在常规条件下实现原本反应条件苛刻的化学反应。传统光催化材料主要包括多种氧化物和硫化物半导体材料,如二氧化钛、氧化锌、氧化锡、硫化镉等,但这类材料存在光捕获较差、合成过程复杂、光生电子和空穴易复合等固有限制,因此急需开发更多种类更加稳定高效和高选择性的新型光催化材料。

 

例如,钙钛矿材料质地轻薄,其优异的光电性能和独特的电子结构可以利用光催化还原CO2合成可燃物,故钙钛矿材料被广泛应用于光催化领域和光伏一体化绿色建材中,但该类材料目前存在种类较少、稳定性差和催化效率较低等阻碍钙钛矿产业化发展的若干问题。再比如,一些纳米磁性材料和稀土催化材料等新型复合材料,如纳米TiO2的光催化与稀土催化材料的低温催化氧化复合材料等,在可见光下都可以实现消污、抗菌、除臭、空气净化等作用,对典型生态系统中的主要温室气体,如CO2、CH4、CO、NOX等,有一定的净化效果。这类新型材料可以更多利用可见光高效催化产生新能源,有效减少一次能源使用,大幅减少碳排放。

 

1.2 电储能材料

为了提高光、风等清洁能源发电系统的能量品质和输出稳定性,必须将清洁能源产生的电能先储存起来,经过一定的转换达到输出和并网要求,因此电储能技术是清洁能源大规模持续稳定利用的基础。从储能效果看,化学储能器件中的材料结构单元,如电极材料、电解质、隔膜和集流体等是决定其储能性质优劣的核心和关键,所以研发具有低成本、高倍率性、高安全性和长循环稳定性的新型电储能材料是未来能源系统安全高效运行与可持续发展的重中之重。

 

近年来,电化学储能器件最新研究领域包括聚合物衍生碳基负极材料、新型聚阴离子正极材料、纳米碳-金属氧化物复合正极材料、发氟掺杂纳米多孔碳电极等各类先进电化学储能材料,通过将其应用于锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池和超级电容器等,可以更好地实现高效安全的电储能。在我国"双碳"背景下,以电化学储能为代表的新型储能技术成为新型电力系统的重要支撑,对调整能源结构、推动绿色转型、应对气候变化等目标具有战略性意义。

 

1.3 氢储能材料

氢能作为一种清洁、高效、可持续的能源,具有可储存、可再生、无污染等优势,与电能同属二次能源,更易耦合电能、热能、燃料等多种能源,建立起更稳定的现代能源网络并且显著增加电力网络的资源配置灵活性。与单一基于化石能源的电能或不稳定生产的可再生能源生产方式相比,氢能与电能的深度耦合可以更好地支撑可再生能源电力生产,提升其在我国总体能源生产量中的比重。

 

目前,我国制氢产业仍以化石能源为主,新能源及水电之间的结合度较低,且氢储能还受到技术、成本等方面的制约,一方面电解水制氢过程中大量的能量转换成热能浪费掉,实际转换率较低,只有30%~50%左右;另一方面由于氢气在常压下能量密度低,即使进行增压处理后能量密度也不高,例如在常规高压罐内以气态或液态形式存储,需要较大的存储空间和较昂贵的配套设施,因此开发新型制氢材料和储氢材料,例如在金属氢化物、配位氢化物、多孔材料等储氢材料中以固相形式储存将是未来重点方向。

 

1.4 生物质材料

新能源革命大幅推动了生物和化工领域的技术进步,促进了燃料与材料技术变革,实现石化材料逐步向生物质材料的转变。某种程度上来说,用生物质材料替代石油生产燃料和材料,是当前石油化工领域实现碳中和的唯一途径。生物质材料以可再生、易降解的生物质为原料,以生物化学转化技术为基础,目前主要应用在能源、生态农业、环境修复、建材等领域,未来的应用领域将向模块化建材、生物质碳纤维、生物质储能材料、生物质环境修复材料等高值化利用方向拓展。

 

我国生物质材料虽然来源广泛,但是受限于农业机械化水平低、耕地分散等因素,难以实现原料的单一化和产业规模的最大化,因此一直以来农林废弃物的终端处理方式大多为焚烧或填埋,造成CO2等温室气体大量逸散到空气中。据统计,中国每年约有9亿吨秸秆,利用其中40%可生产1亿吨聚乳酸来替代石油基塑料和化纤,减轻工业生产塑料、化纤等材料的能源消耗。

 

美国能源部阿贡实验室研究发现美国2005~2019年间使用生物质生产玉米乙醇可以累计减排温室气体约5亿吨。因此,将农林废弃物转化成生物燃料,不仅可以大幅降低传统焚烧填埋等处理方式产生的大量CO2,更可以替代一次能源,为氢燃料电池或氢发动机汽车提供燃料,减少温室气体排放。

 

2. 节能新建材支撑绿色建设

 

 

2.1 光伏建筑一体化

2.1.1 光伏新发展:新型钙钛矿太阳能电池

传统的太阳能发电材料制备条件苛刻,大多发生在高温或真空环境下,制备过程耗能高,导致成本增加且量产效率较低。在钙钛矿材料问世之前,太阳能电池市场主要包第一代括晶体硅电池和第二代薄膜材料电池两大类。其中,晶体硅电池作为传统第一代太阳能电池在市场中的占有率高达85%,远高于第二代非晶体硅薄膜电池等薄膜类太阳能电池。薄膜材料电池的出现克服并改善了第一代材料的弊端,尤其是在能量的偿还时间循环周期上,表现出更佳的性能,但由于其较低的能量转换比率和较低的材料稳定性,导致产业化推广使用比较困难,市场份额占有率上也不易实现突破。

 

此外,第二代太阳能电池的原材料比较稀有,也进一步限制了其推广使用。而钙钛矿材料作为新型太阳能发电材料,其吸收层不需要满足前两代传统电池的吸收层制备中所要求的苛刻条件,电池整体性能也更加优异。首先,钙钛矿自身的结晶度和作为半导体材料的禁带宽度可以有效稳固和提升电池电流密度。其次,钙钛矿型新型太阳能电池提升了量子效率,减少了耗费,更好地满足了不同的发电需求。新型钙钛矿太阳能电池应用广泛,其在城市建筑中的使用就是一个典型的应用场景,为我们国家新型城镇化的建设提供了重要绿色科技支撑。

 

2.1.2 光伏建筑一体化应用和发展动向

建筑物作为居民生活和城市办公的重要载体,是城市耗电量的主力。光伏建筑一体化可以有效缓解城市建筑物集中程度高、强度大、用电持久的问题,特别是在用电紧张的情况下,可以降低用电成本,摆脱依赖发电厂送电的固有模式,是未来节能型城市和环境友好型城市建设与发展的有效途径。

 

光伏建筑一体化在让我们的城市生活变得更加环保、更加清洁的同时,也对我们的技术提出了更高的要求。当前,中国光伏建筑一体化仍处于初级阶段,主要是将光伏组件放置于建筑物的楼顶、天台以及其他光照条件良好的位置进行发电,这种形式严格意义上说不是一体化,只是机械嫁接和简单组合。事实上,真正的光伏建筑一体化要求全面的设计创新,要将独立的光伏器件与建筑本体紧密结合,使之成为建材的一部分,从而实现真正意义上的一体化。这就要求使用特殊的材料类型,既要满足建材的性能又要融合光伏材料,同时应用特殊工艺来进行生产和建造。

 

光伏材料对于温度的敏感性较强,决定了我们需要采用新的设计理念和措施来消除或降低温度对能量转换率的影响,避免由于温度不稳定导致能量转化率下降。同时,在建筑物本体和环境设计上,需要保证充足的光照条件,以及不同建筑物之间的距离是否会产生较大遮挡面积,控制遮阴问题对供电效率的不良影响。更重要的是,如果在不同的支路上无法保持输出电压的一致性,在后续的并联过程中将会产生很大阻碍,在串联的不同组件之间,也有必要保持相似甚至是相同的光照条件。

 

目前针对于这种情形,为解决散热相关问题,可以采用光电器件与光热器件一体化的方法,将光伏材料冷却到发电的适宜温度,并利用剩余热量进行二次利用,提升资源的合理利用水平。同时,在建筑物设计的过程中,也可利用墙体涂层等方式隔离热量,或者采用与热管相结合的形式,降低温度对于发电的影响。

 

未来,在新型城镇化建设和环境友好型社会发展的背景下,建筑光伏一体化的市场需求将非常巨大,产品种类和数量会越来越多,量产速度也会越来越快,突破相关技术瓶颈是实现这个目标的必然要求。

 

2.2 低能耗保温建材

不论是夏日室内频繁工作的空调,还是冬季集中供热供暖系统,不论是商业楼宇,还是家庭住房,低能耗保温建材的产业应用空间都非常庞大。建筑墙体采用保温建材与采用普通建材相对比,两者能耗差距相当悬殊,因此低能耗保温建材的广泛使用将很大程度上加快绿色建筑节能与碳中和目标的早日实现。

 

传统的建筑保温方式包括加厚墙体等,这种方式有效但不具有灵活性,比如针对已经建成的老旧建筑很难进行二次墙体加厚。新型的导热系数低的外墙建筑材料需要满足更高的安全性能、防火性能和易获取性。过去业内使用较多的是聚氨酯类材料和岩棉材料,前者优点是保温性较好,缺点是遇火会燃烧,虽然易燃等级低于木材等B1级材料,但依然会产生多种有毒物质,难以满足更高的环保标准要求,后者虽然不会燃烧,但是吸水会受潮,导致建材受损。因此在当前的实务操作中,经常使用聚氨酯和岩棉的复合材料以较好的满足上述性能需求。

 

2.3 绿色制造规范化

建筑行业体量巨大,与民生结合紧密,从建筑材料的制造、生产、运输,到建筑的设计和构建,再到建筑的拆除、重建等一系列环节都属于绿色建造的重点关注领域。近年来,各类建筑相关行业协会和众多建筑研究院所都在呼吁对标国际先进国家,加快提升建材行业整体制造的规范化和绿色化水平。

 

总体来说,建筑材料主要分为工业水泥、混凝土和玻璃三大类别,体量占比最大,因此这三类建材的原料制造规范化将会对整个行业起到源头性的治理意义和统领作用。对此,行业前沿公司和研究机构已经形成的创新成果和成功经验非常值得我们借鉴学习。例如,德国水泥行业通过在水泥生产过程中降低水泥的碳含量,以及在水泥煅烧过程中利用氢能来替代燃煤等,这些减碳技术都能够大量减少水泥制备过程中的能量消耗。

 

3. 战略新材料助力数字时代

 

 

3.1 碳基材料

石墨烯材料自问世以来,其良好的性能受到极大关注,广泛应用于材料、环境、医学及电子信息等多个领域。研究显示,石墨烯与各种材料的复合可以实现不同类型性能的提升,有些材料加入石墨烯可以增强导电性,有些可以增加强度,有些则可以吸收更多噪音和有害物质,甚至在生物制剂当中加入一定比例的石墨烯也可以增强其吸收效果。可见,石墨烯与不同产业的交叉应用空间非常广阔,成为目前学术界和产业界研究探索的重要方向。

 

石墨烯对于"双碳"目标的实现将发挥越来越重要的作用。作为很多材料的替代材料或性能提高材料,石墨烯的良好性能可以很大程度减少高排放材料的环境污染,例如在建筑地暖材料中加入石墨烯,可以在同样能耗条件下提高保暖效果,减少由于供暖产生的碳排放,在电池中加入石墨烯,可以有效增加电池储能量,减少充放电次数以及在这过程中必然带来的能耗损失。

 

3.2 半导体材料

随着5G、人工智能等技术创新,最新一次工业革命基于万物互联而开启。芯片作为人工智能时代的大脑,是本轮工业革命根基性的技术产品。得益于集成电路应用场景的不断扩展与需求量的快速增加,半导体材料也随之不断迭代更新。

 

目前,我国在第二代半导体产业上并不占据优势,但是在第三代半导体领域内,我国不论是在专利布局上,还是在技术落地实用上,都处于比较领先的位置。由于西方国家的技术封锁与打压,我国近年来着重在芯片设计、加工工艺、制造装备等半导体基础设施领域加大投资和研发力度,卡脖子技术突破虽然艰难,但时间可期。半导体产业的自主化进程无疑将推动我们国家双碳目标按照既定时间表和路线图如期甚至提前实现。

 

4. 结论和建议

新材料在“双碳”时代背景下的效益最大化需要重视以下两点:

 

一是在新材料技术研发层面要坚持自主创新,重视颠覆性新材料技术和材料基因工程的研发及应用,实现关键战略材料核心技术突破并减少关键材料的对外依存度,增强国内企业竞争力,加大科研院所、高校等在前沿材料技术领域的研发投入,推进“产学研用”协同创新,强化新材料产业落地应用。

 

二是利用新材料推进零碳新工业体系及零碳城市建设,进一步加强电力电子和储能等关键材料技术创新,构建更稳定的城市清洁能源电网,加快发展以氢能为核心的新能源业务,积极开发新型保温隔热建材,推广被动式超低能耗建筑,利用光伏新材料解决光伏一体化节能建筑的应用困局,利用高效半导材料加快智慧能源试点城市建设和数字化城市建设。

 

综上所述,从战略和政策层面自上而下来看,国家碳达峰碳中和蓝图的绘制应以创新驱动和绿色零碳为导向,建立起新的产业、经济体系,重视颠覆性新材料技术在各个领域的融入,打破行业固有的碳排放体系,积极推进能源转型战略和脱碳战略目标实现。

 

从技术和产业层面自下而上来看,新材料基础研究水平和产业应用水平的不断提升,对我国碳达峰碳中和目标的实现将起到极其重要的关键性作用。拓宽清洁能源来源的光电新材料、支撑环境友好型社会建设的绿色建材、开拓数字经济的战略性基础新材料等技术的发展,都将有效减少我们国家对于传统能源的依赖和温室气体的排放,有效推动能源存储、城乡基建、环境治理、医学医药、电子信息及人工智能等多领域的协同创新,更要加强碳交易员碳盘查员等新型产业人才培养。

 

信息来源:重洋新视野 作者李阳

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