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鎳催化劑在交通運輸脫碳中的應用(yòng)

鎳催化劑在生物柴油、可再生柴油和(hé)可持續航空(kōng)燃料的生産中發揮重要作(zuò)用(yòng)。不論是在陸運、海運還是空(kōng)運中，鎳催化劑在運輸行業所需的能(néng)源轉化中都起着關鍵作(zuò)用(yòng)。此外(wài)，鎳催化劑還可用(yòng)于制氫水(shuǐ)電解槽。氫氣可以直接燃燒，用(yòng)于燃料電池，用(yòng)于加氫處理(lǐ)其他(tā)可再生燃料，也(yě)可轉化爲另一種燃料，如甲醇或氨。氫氣還可以用(yòng)于其他(tā)化學品的淨零生産，或用(yòng)于鐵(tiě)礦石煉鋼。

電解槽和(hé)燃料電池

電解槽将水(shuǐ)分解成氫和(hé)氧。燃料電池是一種反向電解槽，通過将氧氣和(hé)氫氣結合成水(shuǐ)來(lái)産生電能(néng)。當使用(yòng)可再生能(néng)源制氫時(shí)，這(zhè)種氫被稱爲“綠”氫，國際能(néng)源署預測，未來(lái) 25 年對(duì)綠氫的需求将呈爆炸式增長。

目前可供使用(yòng)的電解槽有四種：聚 合 物 電 解 質 膜（也(yě) 稱 爲質 子交換膜，PEM）、堿性水(shuǐ)電解槽（AWE）、陰離子交換膜（AEM）和(hé)固體氧化物電解池（SOEC）。雖然 PEM 電解槽效率最高(gāo)，但(dàn)它需要使用(yòng)鉑和(hé)銥作(zuò)爲電催化劑，而其他(tā)三種技術使用(yòng)鎳基電催化劑。在含鎳的電解槽類型中，AWE 是商業上(shàng)最先進的。AWE 的陽極、陰極和(hé)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(hé)析出氣體。陽極通常是由燒結纖維組成的工(gōng)程鎳網，而陰極是塗有催化劑的類似鎳纖維網。這(zhè)些(xiē)催化劑是供應商專用(yòng)的，但(dàn)常用(yòng)的是 Ni、Fe、Ox。

不同催化劑的優點和(hé)缺點

因爲AWE的資本成本相對(duì)較低(dī)，所以使用(yòng)的越來(lái)越多，但(dàn)爲了(le)最大(dà)限度降低(dī)生産成本和(hé)滿足可再生電力的需求，AEM和(hé)SOEC也(yě)正在被引進。與 AWE 相比，AEM 的電效率更高(gāo)，使用(yòng)的材料也(yě)類似，因此通常認爲是 AWE與 PEM 的中間體。

與 AWE 一樣，AEM 使用(yòng)鎳網來(lái)控制流量和(hé)輸送電流，也(yě)使用(yòng)鎳催化劑。與 AEW 中使用(yòng)的相對(duì)簡單的催化劑相比，AEM催化劑往往設計(jì)得更高(gāo)級。建議(yì)使用(yòng)的具有高(gāo)性能(néng)的陽極催化劑包括附在碳紙(zhǐ)上(shàng)的 NiFe 層狀雙氫氧化物和(hé)附在 Ni泡沫上(shàng)的 NiCoSe合金(jīn)。陰極催化劑傾向于采用(yòng)附在鎳網上(shàng)的 NiFe和(hé)NiCo合金(jīn)。

SOEC可在非常高(gāo)的溫度下(xià)（>600℃）運行，并具有較高(gāo)效率，能(néng)夠将廢熱集成到(dào)工(gōng)業應用(yòng)中。在SOEC 中，電催化劑（通常是鎳金(jīn)屬顆粒）直接附在電解質上(shàng)，電解質是一種在高(gāo)操作(zuò)溫度下(xià)對(duì)離子導電的金(jīn)屬氧化物。

獨一無二的鎳

這(zhè)些(xiē)僅僅是使用(yòng)鎳催化劑和(hé)其他(tā)成分在未來(lái)低(dī)碳環境中發揮作(zuò)用(yòng)的例子。鎳相對(duì)較低(dī)的成本，對(duì)腐蝕性物質的惰性，以及在電解槽中的具體性能(néng)特點，使其成爲這(zhè)些(xiē)新興技術不可替代的一部分。

B型鎳基合金(jīn)推出100周年

在 20 世紀 30 年代初推出主力“C”系列鎳基（鎳鉻钼）合金(jīn)之前，人們已經對(duì)鎳钼合金(jīn)的成分進行了(le)研究。鎳钼合金(jīn)成分最終在 1921 年被授予專利，在 1923 年引進了(le)鎳含量爲 60%、钼含量爲 30% 的 B 型鎳基（鎳钼）合金(jīn)。

B型合金(jīn)具有特殊的耐還原酸能(néng)力，主要在鹽酸、硫酸以及乙酸、磷酸和(hé)甲酸環境中使用(yòng)，但(dàn)對(duì)氧化環境的耐腐蝕性較差。因此，不建議(yì)在氧化介質中，或在可能(néng)導緻快(kuài)速過早腐蝕的鐵(tiě)鹽或銅鹽的環境中使用(yòng)。當鹽酸與鐵(tiě)和(hé)銅接觸時(shí)，可能(néng)會(huì)形成這(zhè)種鹽，具體應用(yòng)包括反應容器、熱交換器、閥門(mén)、泵和(hé)管道(dào)。 

在第二次世界大(dà)戰之前，B 型合金(jīn)在飛(fēi)機發動機的增壓器渦輪葉片中使用(yòng)，以提高(gāo)性能(néng)、增加馬力。這(zhè)一應用(yòng)最終被其他(tā)超合金(jīn)取代。 

20 世紀 70 年代推出的 B-2 合金(jīn)是原始 B合金(jīn) 成分的改進型。它的特點是減少矽和(hé)碳的含量，以提高(gāo)熱穩定性，抵制晶界碳化物的形成。這(zhè)種耐腐蝕性的改善尤其有利于焊接後的熱影響區(qū)。 

在 B-3 型合金(jīn)中，該成分被進一步優化，以提高(gāo)熱穩定性和(hé)制造特性，以及應力腐蝕開(kāi)裂的抗性。

钼主要對(duì)酸性還原環境具有耐腐蝕性，但(dàn)鎳基爲工(gōng)程合金(jīn)提供了(le)基礎，并爲制造和(hé)焊接到(dào)工(gōng)業設備中提供便利。

引導可持續海洋燃料的發展

國際海事(shì)組織（IMO）的目标是到(dào)2050年将溫室氣體總排放(fàng)量（GHG）減少至少 50%。基于此，含鎳不鏽鋼将在所考慮方案中發揮重要作(zuò)用(yòng)。爲實現(xiàn)這(zhè)一目标，海洋産業需要低(dī)碳、碳中和(hé)、零碳燃料。三個主要選擇是氫、氨和(hé)甲醇。甲醇最容易處理(lǐ)，因爲它在室溫下(xià)即可保持液态，而氫和(hé)氨需要分别在 -33℃ 和(hé) -253℃下(xià)保持液态。

氫

氫作(zuò)爲燃料，可以燃燒也(yě)可以通過燃料電池發電。然而，液态氫在-253℃ 的存儲更爲複雜(zá)，由于其體積能(néng)量密度較低(dī)，所以需要比甲醇和(hé)氨水(shuǐ)更大(dà)的儲罐。如果可以建造專用(yòng)的海洋油輪（氫也(yě)能(néng)爲船(chuán)舶提供燃料），氫作(zuò)爲燃料是可行的。

目前，氫氣是通過天然氣的蒸汽重整來(lái)生産的。爲了(le)實現(xiàn)碳中和(hé)或零碳，需要使用(yòng)可再生能(néng)源或核能(néng)将水(shuǐ)電解，或通過蒸汽重整，包括碳捕獲。

氫氣的特殊性質對(duì)材料提出了(le)很(hěn)高(gāo)要求。例如，含鎳不鏽鋼能(néng)抵抗氫對(duì)其性能(néng)的滲透和(hé)降解，而 -253℃的存儲特點要求含鎳不鏽鋼在極低(dī)溫下(xià)具有韌性。

氨

人們對(duì)氨的興趣也(yě)很(hěn)大(dà)。雖然其毒性很(hěn)高(gāo)，但(dàn)常應用(yòng)于氮基化肥的生産過程。使用(yòng)氨作(zuò)爲内燃氣的直接替代燃料的計(jì)劃項目包括：日本 NYK将現(xiàn)有拖船(chuán)從(cóng)液化天然氣燃料改造爲氨燃料，以 及Viking Energy将海上(shàng)供應船(chuán)轉換爲氨燃料電池。

氨通過哈柏法生産。該工(gōng)藝是在高(gāo)溫高(gāo)壓下(xià)使用(yòng)金(jīn)屬催化劑使大(dà)氣中的氮氣和(hé)氫氣反應。含鎳不鏽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(yòng)作(zuò)船(chuán)用(yòng)燃料，但(dàn)它是一種由天然氣生産的碳基燃料。雖然可以從(cóng)生物質中生産碳中和(hé)甲醇，但(dàn)也(yě)有通過二氧化碳和(hé)氫氣反應來(lái)生産甲醇的技術。

随着技術的不斷發展，含鎳不鏽鋼在生産可持續船(chuán)用(yòng)燃料以減少溫室氣體的排放(fàng)方面發揮了(le)關鍵作(zuò)用(yòng)。