五大技術解鎖清潔能源發展新路徑

原文發表于《科技導報》2025 年第22 期 《 “雙碳”目標下的電化學能源行動 》

電催化、太陽能電池、燃料電池、鋰電池、生物質能5大清潔能源技術正協同構建新型能源體系的核心支柱。本文分析了五大清潔能源的資源利用、技術發展和未來趨勢，提出構成“發電—儲能—轉換—利用”一體化的清潔能源生態鏈，為清潔能源的進一步推廣和可持續發展提供參考。

能源作為國民經濟的基礎產業，其發展與變革始終與經濟社會的發展緊密相連。隨著全球能源需求的持續增長和環境問題的日益嚴峻，傳統能源的過度使用已經給地球環境帶來了嚴重的污染和破壞。為了解決這些問題，須轉向清潔能源的開發和利用，以期減少對傳統能源的依賴，降低環境污染，并推動經濟的可持續發展。清潔能源以其可再生性和清潔性的特點，成為全球能源轉型的焦點。

1 “液態陽光”：碳捕集、綠電制氫與催化合成

“液態陽光”的概念由中國科學院液態陽光研究組于2018年9月在Joule上首次正式命名，旨在描述一種生產過程碳排放極低，甚至為零的清潔甲醇。其核心思路是利用太陽能、風能等可再生能源發電來電解水制取綠氫，然后催化捕捉的二氧化碳（CO2）與綠氫反應合成甲醇（CH3OH），從而將可再生的能量以液態化學燃料的形式儲存和利用，形成一個近乎零排放的循環，示意如圖1所示。這一技術已走出實驗室，進入工業化示范階段并取得了實質性突破。

盡管技術前景廣闊，但“液態陽光”要實現大規模商業化，仍需跨越3個主要障礙：

（1）成本是當前主要障礙；

（2）技術整合與系統復雜度高；

（3）碳定價機制不完善。

因此，可以通過技術降本增效、政策碳稅引導、多元化市場應用以及規模效應與產業鏈協同，共同推動液態陽光甲醇商業化。

圖1 液態陽光能源方案示意

1.1 CO2還原

由于與高生活水平相關的能源需求不斷上升，通過提高傳統化石燃料的利用效率來減少CO2排放是不切實際的。因此，將CO2轉化為有用的化學品和燃料更具吸引力，不僅可以減輕環境污染，還可以產生增值化學物質，為應對能源和環境挑戰提供了雙重補救措施。CO2電化學轉化是一種有前景的能量轉換方法，也可以捕獲CO2排放。

華中科技大學夏寶玉團隊在Nature中的研究指出一種質子交換膜系統，并利用廢舊電池回收制備鉛基催化劑，用于酸性CO2電解。其電解槽示意如圖2所示。通過使用堅固高效的催化劑、穩定的三相界面和耐用的膜，這種卓越的性能將有助于推動碳中和技術的發展。

圖2 CO2RR 的質子交換膜電解槽示意

清華大學王定勝團隊研究表明，具有活性單位點的均質分子復合物在電催化轉化過程中有很大的前景。團隊展示了一種超分子結構策略，該策略利用氧位點來加強復合物、支持相互作用，從而闡明了空間間隙影響的析氧反應（OER）催化機制。實驗結果表明，窄間隙將有利于電子穿梭并穩定分子復合物，從而實現安培級電流密度。

中國科學技術大學吳宇恩團隊在Nature Synthesis中的研究指出通過控制碳酸鹽殼的類型，可以精確控制還原過程中高價態向價態演化的速率，引導重構催化劑向高活性、低配位結構的小顆粒方向發展。此外，可以通過控制碳酸鉀涂層外殼的厚度來調節低配位結構（如晶界密度）的產生，從而優化CO2RR的性能。

重慶大學李存璞團隊發表在Small中的研究指出，利用靜電紡絲技術合成了多種錫基材料，以控制電化學還原過程中的吸附強度，從而提高CO2對甲酸鹽的還原選擇性。

夏寶玉團隊從穩定、長壽命、低成本的系統角度出發；王定勝、吳宇恩及李存璞團隊從高性能催化劑角度出發。在催化劑設計上，各團隊都圍繞“精準調控活性位點局域環境”這一核心。

1.2 電解水制氫

氫有著高能量密度、零碳排放及可再生等優勢，被認為是最具發展前景的化石燃料替代品。兩個半電池反應驅動這一過程：析氫反應（HER）和析氧反應（OER）。研發一種高性能的OER電催化劑對于提升水分解電池的整體效能至關重要。

北京科技大學龐曉露團隊在研究中指出“電子島”微界面工程策略，通過層級結構設計與量子點耦合，開發了高效穩定的FeP@NiCoP/Mo4P3異質結催化劑。這一策略為低成本、高性能氫能催化材料的開發提供了新思路，并驗證了復雜環境下界面工程的實際應用潛力。

北京化工大學孫曉明團隊在Nature中的研究指出，波動性可再生能源驅動的海水電解中陰極氧化腐蝕問題，如圖3所示。

圖3 電解（海）水啟停循環下陰極的氧化與腐蝕

美國俄勒岡大學化學與生物化學系Paul A.Kempler團隊在Chemical Reviews中的研究指出，電解水過程中析氫反應和析氧反應產生的氣泡會影響制氫的能量轉換效率。其工作也概述了氣泡生命周期中發生的物理過程，如圖4所示。

圖4 堿性電解質析氫反應過程中H2（g）氣泡的“生命周期”示意

1.3 合成氨（NH3）

NH3是合成化肥、藥品、精細化學品和塑料的重要化工商品，是現代文明的基石。NH3具有高的重量氫密度（17.8%），與甲醇相當的高能量密度，以及易于液化、便于儲存和運輸等有利特性，因此，NH3作為直接燃料和氫載體具有巨大的潛力。其中氮還原為NH3是實現可持續發展的關鍵途徑。

中國科學院大學王要兵團隊在Advanced Materials中的研究指出NH3合成過程的6個里程碑，如圖5所示。青島科技大學賴建平團隊在Chinese Journal of Catalysis中的研究指出采用協同策略，制備碳包覆的超低四維金屬釕摻雜液態金屬鎵（Ru0.06/LM@C），用于在寬范圍N2濃度內進行氮還原反應。

圖5 氮還原為氨的里程碑時間線

2 太陽能電池：讓每一縷陽光都充滿價值

太陽能電池的工作原理是直接將太陽光能轉變為電能，是一種清潔、可再生的能源，不產生溫室氣體排放，有助于減少對化石燃料的依賴。關于太陽能電池的熱點研究種類主要包括以下方向。

2.1 染料敏化太陽能電池

染料敏化太陽能電池為利用植物光合作用激發的太陽能提供了一種很有前途的創新方法，研究主要集中在低成本、卓越的透明度、可持續性和簡單的制造工藝上，工作原理如圖6所示。

圖6 染料敏化太陽能電池原理

復旦大學彭慧勝團隊在Advanced Materials中的研究指出，通過發揮纖維結構的360°受光優勢，最大限度地利用纖維電極的活性面積來增強光捕獲，以提升光伏性能。設計了一種纖維染料敏化太陽能電池（FDSSC），在最外層封裝管上構建了光擴散層，在內部對電極上構建了光轉換層。光擴散層呈現均勻的白色外觀，且在其中引入少量顏料即可實現外觀顏色的調控，大幅提高了纖維太陽能電池的可設計性，以及與織物的兼容性。

2.2 硅太陽能電池

因碳納米材料具有寬光譜吸收、可調諧能帶結構以及高載流子遷移率等優勢，被認為是碳/硅（C/Si）異質結太陽能電池最有前途的材料之一。

河北大學陳劍輝團隊在Advanced Science中的研究指出，通過界面鈍化策略設計了碳/硅異質結太陽能電池，以進一步提高功率轉換效率，并加速C/Si器件的大面積制備。

江蘇科技大學李陽團隊在Nature中的研究指出為避免外延，采用低損傷連續等離子體化學氣相沉積策略，成功制造出不同厚度（55~130 μm）的高性能電池。以“超薄、柔性”晶硅異質結太陽能電池的優勢，其結構與工藝示意如圖7所示，使得用于旅行的彎曲或卷起晶體硅太陽能電池指日可待。

揚州大學丁建寧團隊在Nature中的研究指出新型的致密異質結鈍化接觸，突破行業一直以來的180~210℃的異質結制備瓶頸。

哈爾濱工業大學陳冠英團隊在研究中指出，一種多功能鉺（Er3+）和鐿（Yb3+）共摻雜NaY（WO4）2熒光粉，具有同步光子上轉換、光子量子切割和發光比率溫度傳感能力，為高性能硅材料開辟了新的可行性太陽能電池。

圖7 “超薄、柔性”晶硅異質結太陽能電池結構與工藝示意

現階段，對能源的需求量大幅增大，導致硅太陽能電池板使用量猛增，必須要將報廢的硅太陽能電池板合理地回收處理，減少對生態系統的負面影響，確保資源的長期可利用性。武漢大學尹華意團隊在Nature Sustainability中的研究指出一種簡單的鹽蝕刻方法，僅需180 s就可以從報廢的硅太陽能電池板中回收銀和硅，且未使用無機酸等有毒試劑，更不會有二次污染產生。同時，硅太陽能電池板中的錫、鋁、銅和鉛也能被氧化、堿浸和電沉積相結合的方法進行處理。美國國家可再生能源實驗室研究人員在Joule中指出了成本敏感性分析，提高組件效率是降低成本的最高效途徑。在此，其團隊提供了鈣鈦礦/硅串聯（PST）光伏模塊4 T和2 T設計的成本模型，如表1所示。

表1 效率與成本表

3 燃料電池：驅動未來的清潔能源

燃料電池是一種化學裝置，能夠將燃料內含的化學能直接高效地轉化為電能，因此也被稱作電化學發電器。燃料電池具有以下優點：

• 能源效率高、可持續性利用；

• 在環境方面可以做到零排放、低噪聲等優點；

• 在交通運輸、固定電站以及便攜式電源等應用領域方面占據重要地位。

3.1 氫氧燃料電池

氫氧燃料電池（HOFC）的運作機制建立在氫氣和氧氣于電極界面發生的氧化還原反應之上，此過程通過外部電路實現電子的傳輸，進而產生電能。該類型電池展現出高效能與環保清潔的顯著優勢。

重慶大學魏子棟團隊在Nature Energy中的研究指出一種量子井狀催化結構（QWCS），可以選擇性地從氫氧化反應中轉移外部電子，同時自身仍保持金屬性。QWCS催化的陰離子交換膜燃料電池實現了486 mW/mgNi的高功率密度，并在關機?啟動循環期間經受住了氫不足操作。

廈門大學黃小青團隊在研究中指出，通過溶液相還原策略合成了具有六方緊密堆積（hcp）和面心立方（fcc）相界面的Ru?Sn納米花，這些納米結構表現出極高的堿性氫氧化反應活性和耐久性。

用氫能代替燃油驅動各種交通工具，不僅能實現交通領域節能減排，而且能提高國家能源的安全性。但其發展必須攻克成本難點：

• 第一，目前燃料電池發動機比較貴倍；

• 第二，加氫站的建設費用比較高；

• 第三，加氫站的加氫費用每千克為60~70元，只有降到30元以下才能跟燃油車競爭。

魏子棟團隊致力于提出開創性的解決方案，黃小青團隊則提供了可快速應用的優化方案。共同推動燃料電池走向大規模普及（表2）。

表2 成本降低目標和普及時間預測表

3.2 直接性燃料電池

直接甲醇燃料電池（DMFC）作為一種新型燃料電池，有著較低的工作溫度、超高能量密度以及小體積等優點。DMFC使用甲醇作為燃料，無須配置高壓氫氣罐，大大增強了其便攜性。同時，也從一定程度上確保了安全。

中國科學院長春應用化學研究所邢巍團隊在Angewandte Chemie International Edition中的研究指出，結構自適應策略可以通過引入動態Fe–F鍵打破氧還原中間體吸附能的線性縮放關系。

深圳大學駱靜利團隊在Advanced Materials中的研究指出，一種表面富集鉍（Bi）單原子修飾的鉑（Pt）納米環催化劑，其在DMFC中顯著降低鉑載量的情況下實現較高的功率密度。

重慶大學魏子棟團隊在Journal of the American Chemical Society中的研究指出，一種非包覆型催化劑/離聚物界面結構，不僅可以避免Pt與磺酸基團直接接觸毒化，而且在氧還原反應過程中，氧氣可以不用穿過致密的Nafion離聚物層直接到達催化劑表面參與反應，大幅降低了氧氣局域傳質阻力。

4 鋰電池：儲能領域的明星產品，引領行業新風尚

隨著現今社會能源存儲技術的革新、新能源汽車的發展、節能減排與環境保護的意識不斷向好，提高能源利用效率和安全性迫在眉睫。鋰離子電池是最具潛能實現以上需求的電池。

4.1 商業化鋰離子電池

中國科學院大學溫兆銀團隊在Advanced Materials中的研究指出，通過氨水選擇性溶解鎳離子，結合KMnO4還原沉積在材料表面生成MnO2涂層，有效減弱了晶體結構的相變傾向，減少了Li/Ni混排，從而提高了材料的結構穩定性。

清華大學歐陽明高團隊在Joule中的研究指出，特定的還原性氣體在熱失效發生前的早期熱積累階段占主導地位，只要切斷這種“還原性攻擊”的反應途徑，就可以很容易地防止熱失控。

寧波東方理工大學孫學良團隊在Nature Nanotechnology中的研究指出一種超離子導體，高鋰兼容性和空氣穩定的富含空位的β?Li3NSSE。使用富含空位的β?Li3N作為固態電解質中間層和鈷酸鋰（LCO）和富鎳的LiNi0.83Co0.11Mn0.06O2（NCM83）正極的全固態鋰金屬電池表現出優異的電池性能。

4.2 鋰硫電池

隨著科技的飛速發展，傳統鋰離子電池雖已成功商業化，但其能量密度已逼近極限，難以滿足人類對能源日益增長的需求。在此背景下，鋰硫電池（Li?S）以其卓越的性能脫穎而出。其理論容量高達傳統鋰離子電池的3~5倍，這意味著在相同重量或體積下，Li?S電池能儲存更多的能量。此外，硫元素在自然界中廣泛存在，天然豐度極高，并且，硫元素對人體無害，無毒無污染，使得Li?S電池在環保方面具有得天獨厚的優勢。

鋰硫電池可以通過“催化”策略和活性中間體策略抑制多硫化物的穿梭效應，其中“催化策略”包括物理吸附和化學吸附。二者協同是提升性能的關鍵。

中國科學院大學張炳森團隊在Nano?Micro Letters中的研究指出，通過NH4F氟化MXene的方法成功制備了具有優化氟分布的TiOF/Ti3C2催化劑，該催化劑顯著增強了金屬位點與多硫化物之間的相互作用。西江大學Jun Hyuk Moon團隊在Energy Storage Materials中的研究指出，調節Li2S電沉積也可以提高硫的利用率。天津大學楊全紅團隊和清華大學呂偉團隊在Advanced Energy Materials中的研究指出，用微孔限制催化策略，以實現硫的平穩固?固轉化。電子科技大學熊杰團隊在Advanced Materials中的研究指出一種原位封裝策略，構建不易燃的準固體電解質（QSE）。

4.3 鋰電池的回收利用

鋰電池回收再利用是實現新能源產業可持續發展的關鍵一環，它并非一個簡單的“廢物處理”環節，而是連接電池生產與使用，實現資源閉環的核心。

寧德時代在其“全球能源循環計劃”中提出了“去原生礦化”的遠景，目標是未來全球1/2的鋰材料來自回收循環。浙江重申環保科技有限公司投資3.5億元建設年處理5萬t廢舊動力電池項目。欣旺達公司使用千噸電池修復料，可實現電芯成本減少近千萬元。這不僅能降低成本，還增強了供應鏈的韌性。

5 生物質能：自然與科技的完美融合

生物質能是指借助自然界的大氣、水和土地等資源，在經過光合作用后，其生成的各種有機體產物內所蘊含的能量，它是太陽能以化學能形態儲存在生物質中的一種形式。

中國農業大學劉志丹團隊在Nature Communications中的研究指出，一種基于生物原油重質組分利用的無氫煉制新技術和模式，實現了生物原油幾乎全組分增值利用（約90%）。北京化工大學衛敏團隊在研究中指出，一種固定在CoAl混合金屬氧化物催化劑上的全暴露鉑簇合物（Ptn/CoAl?MMOs），該催化劑在糠醛（FAL）的液相加氫反應中表現出突出的催化性能。

6 結論

清潔能源系統在催化、太陽能電池、燃料電池、鋰電池及生物質能等領域呈現出技術創新、政策驅動、市場動態、關鍵領域趨勢，以及全球合作與影響等多方面的熱點，正在蓬勃發展。

“液態陽光”技術雖然環保優勢明顯，但目前在經濟性方面仍面臨嚴峻挑戰；太陽能電池的新興技術的長期運行穩定性與毒性安全問題待解決；燃料電池制氫、儲運、加注基礎設施不完善，嚴重依賴貴金屬鉑作為催化劑，成本高；鋰電池熱失控管理、續航焦慮依然存在；生物質能轉化效率與選擇性待提升。

以清潔能源為支點，借助科學研究突破與產業體系變革的雙重驅動，不僅能夠推動社會持續向前發展，也將為人類文明的未來提供穩定、可持續的能源基石。

本文作者：譚麗、汪濤、譚偉、李存璞、魏子棟

作者簡介：譚麗，重慶大學化學化工學院，特種化學電源全國重點實驗室，碩士研究生，研究方向為新能源鋰硫電池正極材料改性；李存璞（通信作者），重慶大學化學化工學院，特種化學電源全國重點實驗室，重慶大學鋰電及新材料遂寧研究院，教授，研究方向為鋰金屬硫電池和有機電化學合成。

文章來 源 ： 譚麗, 汪濤, 譚偉, 等. “雙碳”目標下的電化學能源行動[J]. 科技導報, 2025, 43(22): 39?51 .

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