红血细胞如何推动无排放驾驶的发展

电池——优点与缺点兼具。

很长一段时间以来，无排放驾驶——即不排放氮氧化物和二氧化碳等温室气体——只是一个梦想，因为装有内燃机的汽车“霸占”街道已有百年时间。然而这种状况正在发生改变。2019年，挪威所有新登记的汽车中有42%以上为电动汽车，[1] 斯堪的纳维亚半岛将在五年内告别内燃机。丹麦、瑞典、荷兰、爱尔兰和以色列计划在2030年停止发放汽油和柴油车辆许可证，英国计划于2035年禁行内燃机车辆，法国也计划于2040年停发许可证。[2] 在整个欧盟，到今年2020年，对于新登记的汽车来说，整车系每公里二氧化碳排放不得超过95克，如果汽车制造商不能达到这一平均值，将面临高额罚款。

只有大幅增加电动汽车的比例才能实现该目标值。大多数制造商依赖装载锂离子电池的车辆。这些在运行中的确是无排放的——至少在其电力源自可再生能源（例如风能、太阳能或水力发电）的情况下。2019年，德国纯电动汽车注册量超过60,000辆。[3] 尽管这仅占所有新注册车辆的1.75%，但在过去六年中，德国上路的纯电动车数量已增长了十倍以上，达到约14万。众多汽车公司目前正在市场上推出许多新车型。

但开发人员对此并不满意，因为他们知道：由电池驱动的电动汽车绝不能解决所有问题。电池生产十分昂贵，能耗巨大，且会因此排放大量的二氧化碳。锂的开采并不环保，而且最重要的，这些车辆的续航里程十分有限：日常行驶最多250公里之后，大多数中型电动汽车必须充电，[4] 这代表车主必须等待约45分钟。普通锂离子电池的续航能力虽然足以满足数百万辆汽车的需求，因为据德国交通运输部称，95%的汽车日行驶里程低于50公里，[5] 但电池对于长途旅行而言并不实用。

您知道吗？

700

燃料电池汽车在重新加注之前可以行驶的公里数。
180

加氢站加注所需氢气的耗时（单位：秒）。
40g

如今燃料电池中铂的含量。其价值：1,000欧元

车载发电站：燃料电池

能够直接在车辆上为车载电动机产生电能的技术其实更为合理：燃料电池将空气中的氢气和氧气转化为水，同时释放能量，但是并非如同已知的氢氧反应那样会爆炸性地释放能量，而是以电流的形式输出。此类车辆同样不会排放任何污染物或温室气体，仅排放少量的水蒸气。

在普通油箱中以700巴高压储存的氢气足以满足500至700公里行程之需，且只需三分钟即可完成加注。由汽车工业和天然气制造商组建的合资企业H2 Mobility，已经在德国兴建了一百多个加氢站，三年内将扩展至400个。[6]

借助充足的风能，可以十分环保地通过分解（电解）水获得氢气，且燃料电池车辆的碳排放让人惊叹：弗劳恩霍夫太阳能系统研究所的一项研究表明，燃料电池汽车的生态足迹，包括其制造和处置，要优于具有远距离电池容量（即超过250公里[i]）的电动汽车。[7]

昂贵的铂金属阻碍燃料电池的推广。

尽管有这些优点，街道上仍然很难见到燃料电池车辆的身影：在过去十年中，现代、本田、丰田和戴姆勒等制造商的燃料电池车辆销量甚至没有达到15,000辆。[8] 原因何在？除了许多汽车公司仅关注电池技术，且加氢站网络仍然欠佳的原因之外，主要原因在于车辆高昂的价格。每年全球仅开采加工170吨铂金，未来，这种贵金属将仍然十分稀缺且价格昂贵。“如今在此类车辆中作为催化剂所需的40克铂的价值便已高达1,000欧元。”达姆施塔特工业大学化学、材料和地球科学部门的催化剂专家兼初级教授Ulrike Kramm解释说。

铂用作燃料电池中化学反应的促进剂（催化剂）。车辆中常见的PEM燃料电池单元由阳极和阴极以及中间的细毛塑料膜组成。PEM代表“质子交换膜”（proton exchange membrane），意味着氢气会在氢气罐阳极侧被分解为氢离子（质子）和电子。质子在80至100摄氏度的工作温度下穿过交换膜，与空气中的氧气结合，在阴极侧形成水。同时，电子流过外部电路，并在其中发挥作用，例如在汽车的电动机中。

“我的愿景是：在短途旅行中使用电池驱动电动车，而在长途旅行中则使用氢燃料电池电动汽车”

Ulrike Kramm

从血细胞到燃料电池。

自20世纪90年代第一批燃料电池乘用车问世以来，所需的铂数量虽然已经下降到之前水平的十分之一，但要达到“每辆车10克”的目标值（由此显著降低车辆成本）仍然遥遥无期。因此，科学家们一直在寻找替代品。Kramm认为，对于阳极，碳层中的细碎铂仍然是首选方案，没有比这更好的方法了：“但是在阴极侧，到目前为止使用的铂金属量是阳极侧的十倍，但如今已经能够在此使用非贵金属催化剂。”

研究人员深受自然界的启发，尤其是我们红细胞的血红蛋白。这种蛋白质复合物的核心是一个血红素基团，中间有一个铁原子，被四个氮碳环包围。它负责在血液中输送氧气，因为氧气可以附着在铁元素上并再次释放。“这正是我们的催化剂所需要的。”Ulrike Kramm说。Kramm的“Fe-N-C”催化剂的活性中心类似于血红素基团——在由碳（C）构成的海绵状结构中，多个氮原子（N）固定住一个铁原子（Fe）。

早在20世纪70年代，科学家便首次开发出Fe-N-C催化剂。但是，该催化剂不仅必须具有活性，才能在燃料电池中获得实际应用，“它的环境还必须是多孔的，以便氧气能够尽可能容易地到达活性中心，并在此处与穿过交换膜的质子，以及电路中的电子一起形成水，并且之后迅速将水排掉。”Kramm解释说。

为了确保这些Fe-N-C催化剂拥有尽可能高的活性和稳定性，重点在于铁原子必须被正确数量的氮原子包围，“因为只有这样才能真正形成水，而不会形成腐蚀性过氧化氢，从而破坏催化剂”。另外，即使燃料电池的电流负载发生变化，铁原子也不会从碳环境中释放。为了实现所有上述目标，重要的是准确找出原子核心在运行过程中的行为。Ulrike Kramm使用所谓的“原位和操作莫斯堡尔光谱法”对此进行检查。她的团队是全球精确光谱分析领域的佼佼者。

此外，她和她的博士生们还开发出一种制备和清洁工艺，该工艺利用简单、价格低廉的原材料（铁、氮和碳），仅需几个步骤即可且仅需几个步骤即生产出尽可能纯净的粉末，并将其用于膜电极组件的制备。初步分析表明，该催化剂的活性和稳定性与最近由美国ElectroCat协会（由多家大学和大型国家研究机构组成的协会）发布的材料一样。

“我们的催化剂不需要铂，它能够像血细胞的活性中心一样工作”

Ulrike Kramm

氢气塑造未来。

这些成功令Ulrike Kramm赢得了多个奖项，例如2018年阿道夫·梅塞尔（Adolf-Messer）基金会奖，以及2019年“出行与能源”领域的好奇心研究奖（Curious-Mind-Forscherpreis）——默克公司与《经理人》（Manager）杂志旨在通过此奖项表彰40岁以下的科学家。默克董事会主席Stefan Oschmann (在柏林举行的颁奖典礼上说 2016-2021)：“这一领域的深入研究使我们可以在未来更加有效地利用稀缺的自然资源。”Ulrike Kramm十分欣喜能够获得该奖项：“这大大提高了我们研究小组的知名度，并吸引了潜在合作伙伴的注意力，推进与我们的进一步合作。”

接下来将有何计划？“我们正在为Fe-N-C催化剂的生产工艺申请专利，并进行发布。”这位研究人员说，“此外，我们还希望成立一家初创公司，借此与工业界展开合作，同时负责市场推广。”尽管近年来新型催化剂的稳定性已大大提高，但距离车辆所需的“5,000小时无明显性能下降”这一目标仍然很远。但Ulrike Kramm相信，可以通过进一步优化合成步骤来实现上述目标。如果能够实现，燃料电池的价格将会比如今低得多，且距离Kramm的无排放驾驶愿景也将更近一步：“在我的设想中，未来将会十分多元，电池驱动电动车将会用于城市周边出行，燃料电池车辆用于长途出行，而重型卡车、飞机和轮船则会利用从氢气和二氧化碳中获得的合成燃料。”

德国政府在2020年6月宣布的国家氢能战略，正是朝着这个方向迈出的重要一步：德国计划在未来数年内投资约90亿欧元，打造全球领先的氢能行业。

我们的承诺

2012年，联合国制定了17项可持续发展目标（SDG），以应对全球面临的紧迫的环境、政治和经济挑战。三年后，这些规则被所有成员国采纳。我们努力使自身工作有助于实现这些宏伟目标。支持燃料电池研究符合“目标7——负担得起的清洁能源；子目标7A——加强国际合作，促进清洁能源研究和技术。”电动汽车让世界变得更清洁，但它们仍然对环境有一定影响。这就是为什么我们支持旨在为氢燃料电池打造不含铂金的催化剂的研究项目，因为这种催化剂在进一步提高其环保属性方面拥有极大潜力。

深入了解