我国力争在2030年前使国内二氧化碳排放达到峰值，2060年前实现碳中和。积极探索新型清洁能源有助于促进我国碳达峰、碳中和工作的加速进行。氢能作为一种储量丰富、热值高、能量密度大、来源多样的绿色能源，被誉为21世纪的“终极能源”。氢能的开发利用也受到了世界各国的高度重视，美国、日本、澳大利亚等国已制定相关政策，将氢能列为国家能源结构的重要组成部分，我国也在积极布局氢能发展战略，逐步完善氢能政策体系。光合新能响应《能源技术革命创新行动计划（2016-2030年）》，依托核心科学家团队多年研究基础和专利成果，聚焦前沿等离激元高效催化技术，积极投入大规模低成本制绿氢技术研发，加速推进技术规模放大与生产示范，全面探索工业场景落地及配套产业模式，最大程度降低绿氢制造成本，提高绿氢应用的经济性。

　　北京光合新能科技有限公司（以下简称“光合新能”）是一家以世界最前沿的技术为起点，着眼于生态及下一代清洁能源的高科技企业。光合新能于2016年9月7日在北京成立，依托“等离激元碳中和技术”和强大的核心团队专注于下一代可再生能源的研究，致力于为世界提供清洁能源，减少二氧化碳的排放，为解决世界能源危机和实现碳中和做出贡献。

　　光合新能等离激元高效催化制氢技术基于自主研发的纳米催化材料，可有效吸收太阳能光热、工业余热等热辐射红外波段能量并激发等离激元能量聚焦增强效应，只需低位热能输入，即可在常压条件下将纯水分解生成氢气和氧气。该技术不但摆脱了传统天然气和水煤气制氢对碳基化石能源的依赖，实现制氢过程中零碳排放，还可有效解决传统绿色制氢主要依赖风光绿电进行电解水制氢的长路径、高成本等客观缺陷，同时实现许多工业场景下中低温余热的高价值利用，是一石三鸟的碳中和清洁能源解决方案。

　　作为本世纪在纳米材料科学跨越式发展基础上才发展起来的一项全新颠覆性前沿技术，等离激元高效催化在碳中和/新能源领域具有长期而广泛的应用前景，已成为当今世界各国科技创新的热点。2022年初，“等离激元催化技术”作为重点发展的前沿技术首次被纳入到了国家科技部催化科学重点专项中，得到了我国政府的关注和大力支持。光合新能是全球等离激元催化技术研发的领先者和商业应用的先行者。公司核心技术团队由海归青年科学家组成，于2007年旅美留学期间开始研究等离激元技术，是全球第一个公开发表利用等离激元技术实现二氧化碳合成清洁燃料的学术文章（2009年）的团队。公司同时掌握等离激元光热催化纯水制氢、二氧化碳和水一步合成长链烷烃（燃油）以及尿素、氨基酸等高价值产物合成方法等系列关键核心技术，并拥有相关垄断性国际专利。

　　“十四五”规划明确我国将积极布局氢能产业，建设氢能生态圈，但无论是液态氢还是气态氢都无法不经过加工直接从大自然中拿来使用，在整个氢能产业链上，制氢是一切的源头。传统的低成本制氢方案依赖于从化石能源中取氢（灰氢），过程中无可避免地会产生碳排放，因此，从纯水中制取绿色氢气是碳中和背景下产业应用的必然选择。

　　传统全解水制氢技术，包括电解水制氢和高温高压热解水制氢等，存在反应条件苛刻、工艺路径长、制取成本高等客观缺陷，制约了相关技术的规模化应用。等离激元催化制氢利用了纳米尺度的能量自聚焦效应，可有效解决以下关键问题，极大降低制氢成本，解决绿氢大规模利用的经济性制约：

　　（1）反应条件苛刻

　　传统光热催化技术采用的反应条件为800度以上、数百个大气压，高温高压的条件对设备制造要求极高，其太阳光能量利用效率仅为2%。等离激元光热制绿氢技术利用了等离激元增强效应，将反应的外部要求大大降低，实现了宏观低温常压的反应，而微观局域增强的能量极大的提高了水分解制氢的效率，从而实现较高的能量转换效率。

　　（2）工艺路径长

　　目前较为普遍的“光伏发电+电解水制氢”的绿氢技术，工艺路径为多步，本质上是先获得绿电，再转化为氢能，光伏板和电解槽的投资成本都较高，且电解所使用的碱性电解液对电极和设备的稳定性也是挑战，如要连续制造氢气，还需要增加电储能设备。等离激元光热制绿氢技术采用直接光集热反应，大大缩短工艺路径，降低产业化投资成本和生产运行成本，储热整体技术和设备成本都较低，且热量来源可用光热，也可用工厂的余热，应用场景更广。

　　（3）太阳光利用率低

　　光催化制氢路径所使用的大部分光催化剂只能利用到太阳光谱中较少一部分，为利用更多可见光需要降低材料带隙，但窄带隙反过来会降低电子空穴氧化还原能力，影响催化剂产氢能力，这种矛盾使得光催化能量转化率存在瓶颈，目前仅能达到0.5%-4%，光催化剂需要薄层涂覆，平铺面积较大。等离激元光热制绿氢技术使用光集热，光热转换效率可以达到75%以上，更易提高太阳光利用率，催化剂可采用堆积方式填装，反应器可堆叠，空间利用率可以更高。

　　（一）介绍

　　“光合新能等离激元催化制绿氢技术”是利用太阳能光热或工业余热（红外波段的电磁波）激发等离激元效应一步反应实现水的分解，从而实现绿氢的生产。该技术在纳米尺度的微观反应过程为：在等离激元纳米催化剂的尖端，电磁波聚焦会激发热电子和局域强能量场，即等离激元效应，局域高能量会激活水中的化学键，使水分解；分解的氢、氧元素聚集在催化剂表面，由于催化剂的特性，氢原子重新组合形成氢气。光合新能分解水制绿氢的主要生产系统包括：阳光集热储热系统、催化反应装置、产物分离与物料循环系统、产物收集与储存装置、工艺过程自动控制系统。

　　1、技术指标

　　太阳能-氢能转换效率：可达20%；

　　催化剂反应条件：300℃，常压；

　　太阳光谱利用率：大于80%；

　　光热平米产能：0.06 Nm3/h/m2，对应每平米光场储能功率200W。

　　2、经济指标

　　相较德国KIT、苏黎世大学、加州理工大学同类热产氢技术采用600-1000℃高温，反应温度极大降低至300℃，且效率更高，设备成本降低50%以上；

　　催化剂稳定性高，使用寿命可达20年；

　　与目前“绿电+电解水”制氢成本相比，全流程或全生命周期下降约50%，目前实验测算规模化综合成本约为8000-12000元/吨；

　　催化剂制备工艺成本低、环保、易于扩大；

　　相较于光催化制氢，光热反应形式催化剂可堆积填装，反应器可堆叠，反应单元的空间利用率可以更高。

　　2021年12月，光合新能与中国宝武集团旗下的宝武清洁能源公司签订长期合作协议，挂牌成立了联合实验室，持续研发等离激元催化制绿氢技术，打造工业应用示范，开展规模化商业推广。

　　光合新能所拥有的等离激元二氧化碳加水制清洁油气技术是世界上唯一一种可以人工制取汽油（多种液态长链烷烃）的技术，同时掌握系统控制链增长、制取天然气、烯烃、航空煤油一系列核心技术。在二氧化碳加水制清洁油气方向，公司现阶段专注于全甲烷体系（天然气）的工艺放大和规模化生产。

　　光合新能已在世界范围内率先展开二氧化碳和水制清洁油气技术的工业化进程。2019年，光合新能在黑龙江七台河市建立了第一条吨级等离激元制取清洁油气的中试放大产线，项目采用光合新能一代催化技术，以七台河大唐电厂的工业余热和工业烟气加非饮用水制取天然气、汽油等清洁能源，各个技术指标展示出了良好的规模化应用前景。光合新能是目前世界范围内该领域内唯一完成中试放大的企业，远远领先于同领域的其他项目。

　　（二）光合新能等离激元催化制氢技术优点

　　1、强红外等离激元效应

　　为了更好的利用热辐射波段等离激元增强，根据表面等离激元相关理论，选择并验证了钙钛矿、氧化物、石墨烯等多种材料作为等离激元载体，制绿氢技术主要采用了低成本的氧化物（二氧化钛）作为催化剂基底。通过制备条件的控制，等离激元载体在红外热辐射区域（约2um-10um）有较强的等离激元能量吸收，极大的降低了催化过程所需要的反应温度，热辐射能量利用效率较高。催化剂基底表面负载了活性金属，主要采用原材料价格便宜、储量丰富的非贵金属，如铁、锰、铜等为主。

　　2、强稳定性

　　催化剂基底以二氧化钛为主，在非紫外光腐蚀、非高温的情况下，具有较强的抗腐蚀性。表面负载金属量极低，并且在局部会与二氧化钛基底形成类ABO3钙钛矿结构，具有很强的稳定性，不易迁移、团聚。

　　3、强催化吸附性

　　根据量子化学催化原理，研究了催化剂基底不同表面酸碱性、亲疏水性能等影响反应物表面化学吸附能力的因素，表面负载金属从几十种金属及其组合物中筛选出了最优组合，实现了催化剂对H2O分子具有较强的吸附性，显著增强了其催化性能。催化剂产氢选择性大于99%，反应能量最高转换效率大于20%。

　　4、高效的催化剂物理制备工艺

　　选择开发了高效的热熔融盐法制备纳米材料催化剂的工艺。合成工艺无毒无害，环境友好；物理合成工艺，参数容易量化，制备不存在放大因素影响，适于规模扩大生产；熔融盐系统采用地球储量丰富、低价商业化盐类（如氯化钠、氯化钾），且容易水洗分离回收，循环使用，制备工艺成本低。

　　5、模块化反应器

　　由于催化反应条件温和（小于300℃，一步常压连续反应），反应器设备制造成本降低50%以上。突破了传统化工放大原则，反应器设计为模块化、“电池型”，使得工艺放大简单，模块的设计生产、调试和组合安装都更加简便化。

　　等离激元高效催化技术利用纳米科学领域最前沿的等离激元能量聚焦增强效应，将经过特定尺寸、结构设计的载体材料与具备催化活性的材料相结合，可以在许多催化反应过程中有效降低催化能垒，提升催化效率，使得一些依赖高温高压的反应过程可以在较温和条件或仅依靠低品位能量驱动实现，从而极大降低反应设备工艺成本和反应能耗成本；或者直接使用一些较为惰性的分子作为反应原料实现目标产物的一步分解与合成，从而缩短反应路径，减少过程环节能量损失，降低反应工艺复杂度和系统综合成本。因此，该技术的持续深入发展将成为人类实现可再生清洁能源利用与碳中和目标愿景的重要基础。

　　光合新能作为等离激元高效催化领域在全球范围的领先者，还实现了温和条件下以二氧化碳和水为原料一步制取清洁油气，同时掌握了系统控制链增长、制取天然气、烯烃、航空煤油等一系列核心技术。2019年，光合新能在世界范围内率先开展了该技术的工业化中试，在黑龙江七台河市建立了第一条等离激元制取清洁油气的吨级中试产线，项目采用七台河大唐电厂的工业余热作为仅有的驱动能源，捕捉电厂烟气排放中的二氧化碳加上非饮用水作为原料，成功实现了年产6吨规模的天然气、汽油等碳氢燃料合成制取，各项技术指标展示出良好的规模化应用前景。

　　此外，光合新能实验室还利用不同种类的纳米催化剂和调控不同的反应条件，实现了将氮气、二氧化碳和水转化为尿素和氨基酸产物，氨基酸产物组合包含异亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸、苏氨酸、缬氨酸、蛋氨酸和色氨酸等。该技术未来在氮肥工业发展、反氨基酸技术垄断、新型人造食物等领域都将起到推动作用。