鎳催化劑在交通運輸脫碳中的應用

鎳催化劑在生物柴油、可再生柴油和可持續航空燃料的生產中發揮重要作用。不論是在陸運、海運還是空運中，鎳催化劑在運輸行業所需的能源轉化中都起著關鍵作用。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，也可轉化為另一種燃料，如甲醇或氨。氫氣還可以用于其他化學品的凈零生產，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合成水來產生電能。當使用可再生能源制氫時，這種氫被稱為“綠”氫，國際能源署預測，未來?25?年對綠氫的需求將呈爆炸式增長。

目前可供使用的電解槽有四種：聚 合 物 電 解 質 膜（也 稱 為質 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，而其他三種技術使用鎳基電催化劑。在含鎳的電解槽類型中，AWE?是商業上最先進的。AWE?的陽極、陰極和電解槽流場組件中均含有鎳。

流場由一個松散的鎳網組成，以便于傳輸電解質和析出氣體。陽極通常是由燒結纖維組成的工程鎳網，而陰極是涂有催化劑的類似鎳纖維網。這些催化劑是供應商專用的，但常用的是?Ni、Fe、Ox。

不同催化劑的優點和缺點

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

與?AWE?一樣，AEM?使用鎳網來控制流量和輸送電流，也使用鎳催化劑。與?AEW?中使用的相對簡單的催化劑相比，AEM催化劑往往設計得更高級。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上的?NiFe和NiCo合金。

SOEC可在非常高的溫度下（>600℃）運行，并具有較高效率，能夠將廢熱集成到工業應用中。在SOEC?中，電催化劑（通常是鎳金屬顆粒）直接附在電解質上，電解質是一種在高操作溫度下對離子導電的金屬氧化物。

獨一無二的鎳

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

B型鎳基合金推出100周年

在?20?世紀?30?年代初推出主力“C”系列鎳基（鎳鉻鉬）合金之前，人們已經對鎳鉬合金的成分進行了研究。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、磷酸和甲酸環境中使用，但對氧化環境的耐腐蝕性較差。因此，不建議在氧化介質中，或在可能導致快速過早腐蝕的鐵鹽或銅鹽的環境中使用。當鹽酸與鐵和銅接觸時，可能會形成這種鹽，具體應用包括反應容器、熱交換器、閥門、泵和管道。 

在第二次世界大戰之前，B?型合金在飛機發動機的增壓器渦輪葉片中使用，以提高性能、增加馬力。這一應用最終被其他超合金取代。 

20?世紀?70?年代推出的?B-2?合金是原始?B合金?成分的改進型。它的特點是減少硅和碳的含量，以提高熱穩定性，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。 

在?B-3?型合金中，該成分被進一步優化，以提高熱穩定性和制造特性，以及應力腐蝕開裂的抗性。

鉬主要對酸性還原環境具有耐腐蝕性，但鎳基為工程合金提供了基礎，并為制造和焊接到工業設備中提供便利。

引導可持續海洋燃料的發展

國際海事組織（IMO）的目標是到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揮重要作用。為實現這一目標，海洋產業需要低碳、碳中和、零碳燃料。三個主要選擇是氫、氨和甲醇。甲醇最容易處理，因為它在室溫下即可保持液態，而氫和氨需要分別在?-33℃?和?-253℃下保持液態。

氫

氫作為燃料，可以燃燒也可以通過燃料電池發電。然而，液態氫在-253℃?的存儲更為復雜，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的。為了實現碳中和或零碳，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。

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

氨

人們對氨的興趣也很大。雖然其毒性很高，但常應用于氮基化肥的生產過程。使用氨作為內燃氣的直接替代燃料的計劃項目包括：日本?NYK將現有拖船從液化天然氣燃料改造為氨燃料，以 及Viking?Energy將海上供應船轉換為氨燃料電池。

氨通過哈柏法生產。該工藝是在高溫高壓下使用金屬催化劑使大氣中的氮氣和氫氣反應。含鎳不銹鋼在此過程中的幾個環節是必須可少的。

甲醇

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

隨著技術的不斷發展，含鎳不銹鋼在生產可持續船用燃料以減少溫室氣體的排放方面發揮了關鍵作用。