綠氫行業(yè)的興起，是一場(chǎng)影響深遠(yuǎn)的工業(yè)革命運(yùn)動(dòng)，既有巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，也會(huì)對(duì)全球經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)格局帶來(lái)深刻影響，還能給子孫后代留下環(huán)保、清潔、可持續(xù)發(fā)展的未來(lái)。

眾所周知，自18世紀(jì)工業(yè)革命以來(lái)，有多種工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程都可以產(chǎn)生大量的氫氣，如下圖所示：

（ 圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）

其中煤制氫/天然氣水蒸汽轉(zhuǎn)化制氫是最傳統(tǒng)和產(chǎn)氫量最大的方法，具有制氫成本低，生產(chǎn)量大，工藝經(jīng)過(guò)幾十、上百年的發(fā)展，非常成熟。但是這類傳統(tǒng)的制氫方法，會(huì)產(chǎn)生天文數(shù)字的CO?排放，是造成目前全球CO?溫室氣體的主要來(lái)源之一，是不可持續(xù)的。

近年發(fā)展較快，很受重視，也較有前景的一種制氫方法是電解水制氫。電解水制氫的過(guò)程是綠氫，無(wú)任何CO?產(chǎn)生。但是電解水制氫的設(shè)備固定投資大，需要和太陽(yáng)能電站或者大型風(fēng)力發(fā)電等設(shè)施進(jìn)行配套。電解水的過(guò)程耗電量也大，生產(chǎn)每公斤氫氣需要耗35-55度電。

天然氣直接裂解生產(chǎn)廉價(jià)氫氣和碳材料，是一種技術(shù)上有極高價(jià)值的過(guò)程，其反應(yīng)過(guò)程如下：

其無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)在于：

1、零排放

是真正原子經(jīng)濟(jì)的工藝，只產(chǎn)生碳納米管和氫氣。沒(méi)有CO? 溫室氣體的排放，制氫過(guò)程清潔無(wú)污染。

2、轉(zhuǎn)化效率高

氫氣和碳材料的連續(xù)生產(chǎn)，轉(zhuǎn)化效率高；流程短；設(shè)備投資少；雜質(zhì)少，氫氣易提純。

3、經(jīng)濟(jì)效益好

1）催化裂解生成碳納米管，解決了制氫過(guò)程碳產(chǎn)物的高附加值利用問(wèn)題。

2）碳納米管是高附加值的鋰電池導(dǎo)電添加劑，光是生產(chǎn)碳納米管，就有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，能覆蓋整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的生產(chǎn)成本。

3）氫氣相當(dāng)于是免費(fèi)白送的，具有超強(qiáng)的氫氣生產(chǎn)成本競(jìng)爭(zhēng)力。

此過(guò)程很類似傳統(tǒng)工業(yè)上的天然氣水蒸汽轉(zhuǎn)化制氫過(guò)程，使用天然氣作為原料生產(chǎn)出氫氣，但是又克服了天然氣水蒸汽轉(zhuǎn)化制氫過(guò)程產(chǎn)生大量CO2排放的問(wèn)題，其碳原子完全轉(zhuǎn)化為固體碳材料。

雖然，這是一個(gè)美好的技術(shù)設(shè)想，無(wú)數(shù)前輩和科技工作者為此研究了幾十年。但這是一個(gè)技術(shù)上高難度的過(guò)程，其難點(diǎn)在于：

1、對(duì)裂解生成的碳有嚴(yán)格的技術(shù)、性能和市場(chǎng)價(jià)值要求

碳的同素異性體和形態(tài)很多，此過(guò)程的碳產(chǎn)物不能是亂七八糟的碳，也不能是所謂的石墨烯。有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的碳的工業(yè)產(chǎn)物包括：碳納米管、石墨烯、炭黑、碳纖維、石墨等成品。目前生產(chǎn)碳納米管的企業(yè)，已有市值百億級(jí)的公司出現(xiàn)，大大小小的公司都是賺錢(qián)的；做石墨烯的公司，大部分虧損，或倒閉；炭黑行業(yè)，是個(gè)低附加值的行業(yè)，行業(yè)利潤(rùn)微薄，通用炭黑通常只有百分之3左右的利潤(rùn)；碳纖維是個(gè)好行業(yè)，但是天然氣也做不出來(lái)碳纖維；天然氣也不合適用來(lái)生產(chǎn)石墨。

就算是生成碳納米管，也不是隨便一種含碳納米管的產(chǎn)物就能有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的。如果不限制碳產(chǎn)物形貌，每公斤催化劑能生產(chǎn)幾百公斤的納米碳纖維，雖然里面也包含一部分碳納米管，但是那樣的碳產(chǎn)物，沒(méi)有實(shí)際的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和意義。

2、 天然氣催化裂解生產(chǎn)碳納米管具有較高技術(shù)難度

1）天然氣是較為惰性的碳納米管原料，通常產(chǎn)率和轉(zhuǎn)化率較低；

2）天生氣催化裂解生成鋰電池級(jí)的碳納米管較為困難，生成的碳納米管要管徑均勻，不能太粗，管徑介于10-20nm，形貌要規(guī)整。

3）必須使用低成本的催化劑，還要有較高的催化劑效率。生產(chǎn)碳納米管和綠氫的過(guò)程，不能消耗太多的催化劑，每1公斤催化劑至少能生產(chǎn)10公斤以上的碳納米管。

3、 設(shè)備的大型化具有較大技術(shù)難度

碳納米管的生產(chǎn)，不同于液態(tài)和氣態(tài)化學(xué)品的生產(chǎn)，是個(gè)體積膨脹幾百倍的粉體生產(chǎn)過(guò)程。生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)具有一定的特殊性，具有較大的難度。

由上述的介紹可見(jiàn)，天然氣的催化裂解，是個(gè)同時(shí)產(chǎn)生固體碳產(chǎn)物和氫氣的過(guò)程。生成的碳的形態(tài)和價(jià)值，對(duì)天然氣制氫的經(jīng)濟(jì)可行性具有決定性影響。為方便綠氫行業(yè)的讀者對(duì)碳納米管有更深入和全面的認(rèn)識(shí)，對(duì)碳納米管做更詳細(xì)的介紹如下。

碳納米管是20世紀(jì)90年代日本科學(xué)家Iijima先生（Iijima Sumio. Helical microtubules of graphitic carbon. Nature,1991,354:56～58）發(fā)現(xiàn)的新材料，是石墨化的碳原子卷曲而成的納米級(jí)無(wú)縫中空管狀結(jié)構(gòu)。碳納米管的物理結(jié)構(gòu)就決定了，碳納米管具有多種優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)性能。例如，碳納米管的導(dǎo)熱性是銅的5倍，拉伸強(qiáng)度達(dá)到50～200GPa是鋼的100倍，密度是鋼的1/6。

以碳納米管在新能源電池行業(yè)的應(yīng)用作為案例來(lái)分析，鋰電池由正極材料、負(fù)極材料、隔膜、電解液、導(dǎo)電劑、結(jié)構(gòu)件、BMS等構(gòu)成。各種材料占鋰電池的成本，大致如下：

如果投資鋰電池的正極材料，資金動(dòng)則幾十億人民幣起步，而且競(jìng)爭(zhēng)激烈。例如，2021年2月4日，中核鈦白發(fā)布公告稱，擬通過(guò)全資子公司東方鈦業(yè)投資建設(shè)年產(chǎn)50萬(wàn)噸磷酸鐵鋰項(xiàng)目，預(yù)計(jì)總投資121億元，皆為公司自有自籌資金。2021年6月，湘潭電化也公告，通過(guò)參股公司湖南裕能在貴州新建年產(chǎn)30萬(wàn)噸磷酸鐵和30萬(wàn)噸磷酸鐵鋰，投資總額為70億元；湖南裕能還擬在昆明市建設(shè)年產(chǎn)35萬(wàn)噸磷酸鐵和35萬(wàn)噸磷酸鐵鋰項(xiàng)目，預(yù)計(jì)總投資100億元。

導(dǎo)電劑在鋰電池里占比少，但是對(duì)鋰電池的性能具有很大的影響。鋰電池的導(dǎo)電劑，有不同的種類，都是各種不同結(jié)構(gòu)的碳材料。包括類球形的炭黑（顆粒直徑數(shù)十nm級(jí)），片狀的石墨片，以及一維線狀的碳納米管。所有不同種類的鋰電池導(dǎo)電劑中，以碳納米管的添加量最少，性能最好，市場(chǎng)占比最大。

鋰電池的負(fù)極、隔膜、電解液、銅箔等產(chǎn)業(yè)鏈，投資資金動(dòng)則也是十億元起步。與之不同的是，雖然導(dǎo)電劑的成本，大致只占鋰電池的2%左右。但是，由于鋰電池行業(yè)現(xiàn)在已是萬(wàn)億級(jí)的大產(chǎn)業(yè)，所以現(xiàn)在鋰電池導(dǎo)電劑也成為了大的產(chǎn)業(yè)，具有巨大的前景和光明的前途。

經(jīng)國(guó)內(nèi)多家機(jī)構(gòu)調(diào)研和預(yù)計(jì)，一致認(rèn)為在未來(lái)五年，全球碳納米管導(dǎo)電劑漿料需求量將保持40.8%的年復(fù)合增長(zhǎng)速度， 2023年需求量將達(dá)17.72萬(wàn)噸。國(guó)內(nèi)碳納米管導(dǎo)電劑市場(chǎng)，隨著動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的快速增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2023年將達(dá)到62億元的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)產(chǎn)值。由于固態(tài)電池內(nèi)部比液態(tài)電池導(dǎo)電性更差，需要添加更多的碳納米管導(dǎo)電劑，來(lái)提高其內(nèi)部的導(dǎo)電性。以后，隨著固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化會(huì)導(dǎo)致隔膜和電解液的取消，但是會(huì)利好碳納米管導(dǎo)電劑產(chǎn)業(yè)。隨著鋰電池高鎳正極、硅基負(fù)極和固態(tài)電池等新技術(shù)應(yīng)用規(guī)模擴(kuò)大，碳納米管的使用量會(huì)進(jìn)一步大量增長(zhǎng)，未來(lái)單是在鋰電池領(lǐng)域就會(huì)成為每年百億級(jí)的市場(chǎng)。

碳納米管作為鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈里的導(dǎo)電劑，只是碳納米管產(chǎn)業(yè)化的“冰山一角”，是資本和傳統(tǒng)新材料企業(yè)認(rèn)識(shí)碳納米管的第一步。更重要的是，1996年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主尊敬的Richard E. Smalley先生曾教導(dǎo)我們，“碳納米管是人們所能制造出來(lái)的最強(qiáng)、最剛、最硬的分子，同時(shí)是最好的熱和電的分子導(dǎo)體”。碳納米管在芯片、晶體管、生物醫(yī)療、太陽(yáng)能光伏電池、輪胎、燃料電池、藥物輸送、儲(chǔ)氫、高分子材料、電容器、復(fù)合材料等會(huì)有更廣闊市場(chǎng)，會(huì)持續(xù)突破更多的大市場(chǎng)，未來(lái)有望成為一個(gè)千億級(jí)市場(chǎng)的產(chǎn)業(yè)。

國(guó)內(nèi)的碳納米管企業(yè)也在此時(shí)進(jìn)入了快速發(fā)展階段，已經(jīng)有天奈科技、道氏技術(shù)等多家知名企業(yè)介入碳納米管業(yè)務(wù)，且每年能實(shí)現(xiàn)數(shù)億的利潤(rùn)。

目前，國(guó)內(nèi)的碳納米管生廠商基本選擇丙烯作為碳源，流化床作為生產(chǎn)設(shè)備的技術(shù)路線。丙烯是特種低溫石化化學(xué)品，其供應(yīng)商較少，長(zhǎng)途運(yùn)輸成本很高。而且，丙烯的采購(gòu)和使用有嚴(yán)格的監(jiān)管要求。

新建一個(gè)類似的大型碳納米管生產(chǎn)工廠，投資資金動(dòng)則幾個(gè)億，門(mén)檻較高。高昂的投資資金門(mén)檻，擋住了很多想介入碳納米管和新能源碳材料行業(yè)的投資者。

有鑒于此，趙社濤團(tuán)隊(duì)在二十多年碳納米管研發(fā)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，坐冷板凳持續(xù)鉆研，終于開(kāi)發(fā)出了一種適用于中小型企業(yè)，能大幅度降低投資門(mén)檻的天然氣生產(chǎn)碳納米管新技術(shù)。該技術(shù)，以天然氣或純甲烷為原料，在較高的催化劑倍率下，生產(chǎn)出符合鋰電池工廠要求的碳納米管。只有較高的催化劑倍率，才能控制住天然氣生產(chǎn)碳納米管的生產(chǎn)成本。天然氣是一種容易獲取的工業(yè)原料，廣泛分布于國(guó)內(nèi)各個(gè)城市。而且天然氣，直接連接管道就可以使用，不需要運(yùn)輸和儲(chǔ)存裝置。不像丙烯是危險(xiǎn)的特種石化化學(xué)品，需要儲(chǔ)存裝置和設(shè)施。天然氣的噸使用成本，也遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)焦S的丙烯噸成本。

該技術(shù)以天然氣為原料能生產(chǎn)出符合鋰電池大型工廠要求的，平均管徑10nm-20nm碳納米管，碳納米管一次純度能達(dá)到90%—96.5%。

相比目前主流工廠采用的丙烯+流化床工藝生產(chǎn)的碳納米管，趙社濤團(tuán)隊(duì)新開(kāi)發(fā)的天然氣生產(chǎn)碳納米管新技術(shù)，具有較高的催化劑倍率和較低的天然氣原料噸成本，從而具有更低的生產(chǎn)成本優(yōu)勢(shì)。

而且，該技術(shù)還能和移動(dòng)床生產(chǎn)設(shè)備兼容。眾所周知，移動(dòng)床的設(shè)備投資成本遠(yuǎn)小于流化床，操作難度也遠(yuǎn)小于流化床。移動(dòng)床設(shè)備的交貨周期，安裝周期也比流化床生產(chǎn)設(shè)備大大縮短。使用趙社濤團(tuán)隊(duì)突破的天然氣生產(chǎn)碳納米管新技術(shù)，結(jié)合移動(dòng)床設(shè)備，就能讓廣大中小企業(yè)，大幅度降低投資門(mén)檻的入局，介入碳納米管和新能源材料產(chǎn)業(yè)，還能獲得更低的生產(chǎn)成本競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

贏納公司的新技術(shù)，以天然氣為原料，聯(lián)合生產(chǎn)氫氣和碳納米管的優(yōu)勢(shì)在于：

1、原料供應(yīng)優(yōu)勢(shì)

天然氣國(guó)內(nèi)到處都有供應(yīng)，不像丙烯需要壓力容器儲(chǔ)存。天然氣接根管道就可以使用，更簡(jiǎn)單，更方便，更安全。

2、原料價(jià)格優(yōu)勢(shì)

天然氣的價(jià)格遠(yuǎn)低于丙烯拉到工廠的價(jià)格。

3、碳納米管生產(chǎn)成本優(yōu)勢(shì)。

相比目前主流工廠采用的丙烯+流化床工藝生產(chǎn)的碳納米管，贏納公司新開(kāi)發(fā)的天然氣生產(chǎn)碳納米管新技術(shù)，具有較高的催化劑倍率和較低的天然氣原料噸成本，從而具有更低的生產(chǎn)成本優(yōu)勢(shì)。對(duì)比丙烯工藝，能大大降低生產(chǎn)成本。

4、投資成本優(yōu)勢(shì)。

該技術(shù)還能和移動(dòng)床生產(chǎn)設(shè)備兼容。眾所周知，移動(dòng)床的設(shè)備投資成本遠(yuǎn)小于流化床，操作難度也遠(yuǎn)小于流化床。能降低工廠的設(shè)備投資成本。

移動(dòng)床設(shè)備的交貨周期，安裝周期也比流化床生產(chǎn)設(shè)備大大縮短。

5、同時(shí)能產(chǎn)出大量的綠色環(huán)保無(wú)污染的氫氣，氫氣等于是免費(fèi)白送的。

贏納公司能為綠氫行業(yè)做什么？

1、贏納公司在天然氣生產(chǎn)碳納米管和氫氣方面布局了大量技術(shù)儲(chǔ)備。

2、贏納公司的核心技術(shù)人員，從2001年就進(jìn)入碳納米管行業(yè)。通過(guò)20多年的努力，終于攻克了使用天然氣同時(shí)生產(chǎn)碳納米管和氫氣的工藝、催化劑問(wèn)題。所獲得的的碳納米管既能使用天然氣做原料，還能同時(shí)滿足鋰電池行業(yè)的要求，同時(shí)滿足低成本的要求，并且聯(lián)產(chǎn)大量低成本氫氣。

3、贏納公司對(duì)外轉(zhuǎn)讓天然氣生產(chǎn)碳納米管和氫氣的工藝、催化劑配方和生產(chǎn)技術(shù)。

所得碳納米管的外徑在10-20nm之間；純度在90%-96.5%之間；符合鋰電池行業(yè)的要求。

4、贏納公司對(duì)外轉(zhuǎn)讓移動(dòng)床生產(chǎn)碳納米管并制氫的全套技術(shù)，單套設(shè)備年產(chǎn)40噸碳納米管左右。

5、可以委托開(kāi)發(fā)或聯(lián)合開(kāi)發(fā)，單臺(tái)設(shè)備聯(lián)合生產(chǎn)碳納米管和千噸/萬(wàn)噸級(jí)噸氫氣的大型化設(shè)備。

作者簡(jiǎn)介：

趙社濤，獨(dú)立研發(fā)人員，畢業(yè)于四川大學(xué)化學(xué)工程系，2001年開(kāi)始致力于碳納米管的產(chǎn)業(yè)化工作。

電話：18252972115

E-mail：1065497742@qq.com

發(fā)表的代表性文章：

1、 催化裂解天然氣生產(chǎn)碳納米管，《石油與天然氣化工》，2004年第1期；

2、碳納米管生產(chǎn)工藝的產(chǎn)業(yè)化前景，《化學(xué)工業(yè)》，2010年第7期。