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镍催化剂在交通运输脱碳中的应用(yòng)

镍催化剂在生物(wù)柴油、可(kě)再生柴油和可(kě)持续航空燃料的生产中发挥重要作用(yòng)。不论是在陆运、海运还是空运中，镍催化剂在运输行业所需的能(néng)源转化中都起着关键作用(yòng)。此外，镍催化剂还可(kě)用(yòng)于制氢水電(diàn)解槽。氢气可(kě)以直接燃烧，用(yòng)于燃料電(diàn)池，用(yòng)于加氢处理(lǐ)其他(tā)可(kě)再生燃料，也可(kě)转化為(wèi)另一种燃料，如甲醇或氨。氢气还可(kě)以用(yòng)于其他(tā)化學(xué)品的净零生产，或用(yòng)于铁矿石炼钢。

電(diàn)解槽和燃料電(diàn)池

電(diàn)解槽将水分(fēn)解成氢和氧。燃料電(diàn)池是一种反向電(diàn)解槽，通过将氧气和氢气结合成水来产生電(diàn)能(néng)。当使用(yòng)可(kě)再生能(néng)源制氢时，这种氢被称為(wèi)“绿”氢，國(guó)际能(néng)源署预测，未来 25 年对绿氢的需求将呈爆炸式增長(cháng)。

目前可(kě)供使用(yòng)的電(diàn)解槽有(yǒu)四种：聚 合 物(wù) 電(diàn) 解 质 膜（也 称 為(wèi)质 子交换膜，PEM）、碱性水電(diàn)解槽（AWE）、阴离子交换膜（AEM）和固體(tǐ)氧化物(wù)電(diàn)解池（SOEC）。虽然 PEM 電(diàn)解槽效率最高，但它需要使用(yòng)铂和铱作為(wèi)電(diàn)催化剂，而其他(tā)三种技术使用(yòng)镍基電(diàn)催化剂。在含镍的電(diàn)解槽类型中，AWE 是商(shāng)业上最先进的。AWE 的阳极、阴极和電(diàn)解槽流场组件中均含有(yǒu)镍。

流场由一个松散的镍网组成，以便于传输電(diàn)解质和析出气體(tǐ)。阳极通常是由烧结纤维组成的工程镍网，而阴极是涂有(yǒu)催化剂的类似镍纤维网。这些催化剂是供应商(shāng)专用(yòng)的，但常用(yòng)的是 Ni、Fe、Ox。

不同催化剂的优点和缺点

因為(wèi)AWE的资本成本相对较低，所以使用(yòng)的越来越多(duō)，但為(wèi)了最大限度降低生产成本和满足可(kě)再生電(diàn)力的需求，AEM和SOEC也正在被引进。与 AWE 相比，AEM 的電(diàn)效率更高，使用(yòng)的材料也类似，因此通常认為(wèi)是 AWE与 PEM 的中间體(tǐ)。

与 AWE 一样，AEM 使用(yòng)镍网来控制流量和输送電(diàn)流，也使用(yòng)镍催化剂。与 AEW 中使用(yòng)的相对简单的催化剂相比，AEM催化剂往往设计得更高级。建议使用(yòng)的具有(yǒu)高性能(néng)的阳极催化剂包括附在碳纸上的 NiFe 层状双氢氧化物(wù)和附在 Ni泡沫上的 NiCoSe合金。阴极催化剂倾向于采用(yòng)附在镍网上的 NiFe和NiCo合金。

SOEC可(kě)在非常高的温度下（>600℃）运行，并具有(yǒu)较高效率，能(néng)够将废热集成到工业应用(yòng)中。在SOEC 中，電(diàn)催化剂（通常是镍金属颗粒）直接附在電(diàn)解质上，電(diàn)解质是一种在高操作温度下对离子导電(diàn)的金属氧化物(wù)。

独一无二的镍

这些仅仅是使用(yòng)镍催化剂和其他(tā)成分(fēn)在未来低碳环境中发挥作用(yòng)的例子。镍相对较低的成本，对腐蚀性物(wù)质的惰性，以及在電(diàn)解槽中的具體(tǐ)性能(néng)特点，使其成為(wèi)这些新(xīn)兴技术不可(kě)替代的一部分(fēn)。

B型镍基合金推出100周年

在 20 世纪 30 年代初推出主力“C”系列镍基（镍铬钼）合金之前，人们已经对镍钼合金的成分(fēn)进行了研究。镍钼合金成分(fēn)最终在 1921 年被授予专利，在 1923 年引进了镍含量為(wèi) 60%、钼含量為(wèi) 30% 的 B 型镍基（镍钼）合金。

B型合金具有(yǒu)特殊的耐还原酸能(néng)力，主要在盐酸、硫酸以及乙酸、磷酸和甲酸环境中使用(yòng)，但对氧化环境的耐腐蚀性较差。因此，不建议在氧化介质中，或在可(kě)能(néng)导致快速过早腐蚀的铁盐或铜盐的环境中使用(yòng)。当盐酸与铁和铜接触时，可(kě)能(néng)会形成这种盐，具體(tǐ)应用(yòng)包括反应容器、热交换器、阀门、泵和管道。 

在第二次世界大战之前，B 型合金在飞机发动机的增压器涡轮叶片中使用(yòng)，以提高性能(néng)、增加马力。这一应用(yòng)最终被其他(tā)超合金取代。 

20 世纪 70 年代推出的 B-2 合金是原始 B合金 成分(fēn)的改进型。它的特点是减少硅和碳的含量，以提高热稳定性，抵制晶界碳化物(wù)的形成。这种耐腐蚀性的改善尤其有(yǒu)利于焊接后的热影响區(qū)。 

在 B-3 型合金中，该成分(fēn)被进一步优化，以提高热稳定性和制造特性，以及应力腐蚀开裂的抗性。

钼主要对酸性还原环境具有(yǒu)耐腐蚀性，但镍基為(wèi)工程合金提供了基础，并為(wèi)制造和焊接到工业设备中提供便利。

引导可(kě)持续海洋燃料的发展

國(guó)际海事组织（IMO）的目标是到2050年将温室气體(tǐ)总排放量（GHG）减少至少 50%。基于此，含镍不锈钢将在所考虑方案中发挥重要作用(yòng)。為(wèi)实现这一目标，海洋产业需要低碳、碳中和、零碳燃料。三个主要选择是氢、氨和甲醇。甲醇最容易处理(lǐ)，因為(wèi)它在室温下即可(kě)保持液态，而氢和氨需要分(fēn)别在 -33℃ 和 -253℃下保持液态。

氢

氢作為(wèi)燃料，可(kě)以燃烧也可(kě)以通过燃料電(diàn)池发電(diàn)。然而，液态氢在-253℃ 的存储更為(wèi)复杂，由于其體(tǐ)积能(néng)量密度较低，所以需要比甲醇和氨水更大的储罐。如果可(kě)以建造专用(yòng)的海洋油轮（氢也能(néng)為(wèi)船舶提供燃料），氢作為(wèi)燃料是可(kě)行的。

目前，氢气是通过天然气的蒸汽重整来生产的。為(wèi)了实现碳中和或零碳，需要使用(yòng)可(kě)再生能(néng)源或核能(néng)将水電(diàn)解，或通过蒸汽重整，包括碳捕获。

氢气的特殊性质对材料提出了很(hěn)高要求。例如，含镍不锈钢能(néng)抵抗氢对其性能(néng)的渗透和降解，而 -253℃的存储特点要求含镍不锈钢在极低温下具有(yǒu)韧性。

氨

人们对氨的兴趣也很(hěn)大。虽然其毒性很(hěn)高，但常应用(yòng)于氮基化肥的生产过程。使用(yòng)氨作為(wèi)内燃气的直接替代燃料的计划项目包括：日本 NYK将现有(yǒu)拖船从液化天然气燃料改造為(wèi)氨燃料，以 及Viking Energy将海上供应船转换為(wèi)氨燃料電(diàn)池。

氨通过哈柏法生产。该工艺是在高温高压下使用(yòng)金属催化剂使大气中的氮气和氢气反应。含镍不锈钢在此过程中的几个环节是必须可(kě)少的。

甲醇

甲醇目前被用(yòng)作船用(yòng)燃料，但它是一种由天然气生产的碳基燃料。虽然可(kě)以从生物(wù)质中生产碳中和甲醇，但也有(yǒu)通过二氧化碳和氢气反应来生产甲醇的技术。

随着技术的不断发展，含镍不锈钢在生产可(kě)持续船用(yòng)燃料以减少温室气體(tǐ)的排放方面发挥了关键作用(yòng)。