向“清洁”能源的过渡正在增加对贵金属和稀土元素的需求,这些元素成本高、耗时长,而且往往对采矿产生环境危害。庄信万丰的专家们分享了纳米技术的创新,以及重新利用和回收材料的方法,这些方法对帮助我们实现碳中和的未来至关重要。

“当世界还是蒸汽动力的时候,大约需要8种启动元素。当它以石油为动力时,所需的关键元件大约是现在的两倍。现在我们正在向电气化和可再生能源发展,我们需要大约50种元素,其中一半是关键和稀缺元素。”

庄信万丰(Johnson Matthey)创新总监苏珊娜•埃利斯(Suzanne Ellis)这样总结从化石燃料转向可再生能源所面临的挑战。许多清洁能源技术高度依赖关键材料、贵金属和稀土元素,包括铂、铱、镍和钴。

不仅如此,他们比以往任何时候都需要更多的人。例如,根据国际能源署(IEA)的说法,尽管电动汽车(ev)可以在很大程度上减少道路上的有害排放,但它们需要六倍的矿物质含量与内燃机汽车相比。

你越是能够循环利用,你就越能够建造对实现净零排放至关重要的资产和基础设施

庄信万丰(Johnson Matthey)的绿色氢董事总经理尤金·麦肯纳(Eugene McKenna)说

所涉及元素的稀缺性意味着,随着能源转型的加速,存在短缺、价格波动和供应中断的风险。正如国际能源署(IEA)在一份新报告中指出的那样,这些潜在的短缺将会带来巨大影响严重阻碍了我们的进步到2050年实现净零排放的目标。

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回收贵金属

这需要超过16年根据国际能源机构的分析,平均而言,从发现一个矿床到矿山首次投产。而采矿业只是长长的价值链的一部分。

为了满足日益增长的需求,回收包括贵金属在内的这些材料绝对是当务之急。

在传送带上移动的岩石堆

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为了生产少量的铂,需要开采和加工成吨的岩石,这需要大量的能源,并在这个过程中产生大量的二氧化碳。

庄信万丰(Johnson Matthey) Green Hydrogen部门董事总经理尤金•麦肯纳(Eugene McKenna)说:“关键原材料的回收利用对于能源转型至关重要,因为如果不回收利用,这些重要材料的未来使用将受到阻碍。”庄信万丰正在为电动汽车电池、燃料电池等开发闭环回收系统绿色氢电解器

“或者,更积极地说,你越能循环利用,你就越能建造对实现净零排放至关重要的资产和基础设施。”

Johnson Matthey是最大的二次精炼商,或回收商铂族金属,用于催化转换器和燃料电池等应用。铂族金属是未来脱碳所必需的关键原材料的一个很好的例子。

例如,铂被用于催化转换器,但也用于catalyst-coated膜Johnson Matthey为质子交换膜电解器生产的绿色的氢。绿色氢是利用可再生能源从水中电解而成的,生产和使用过程无碳。

今天使用的一些铂可能是几十年前开采出来的,因为它一直在循环

尤金·麦肯纳

作为家庭取暖、交通和工业中化石燃料的清洁替代品,氢的需求将会增加到2030年是2.5倍.这有可能大幅增加铂金的需求。

铂的提取和相关工艺对满足这些需求很重要,但它们是高耗能的。

麦肯纳说:“在某些情况下,你需要开采40吨的岩石才能从其中得到不到一盎司的铂,这将产生大量的二氧化碳。”

相比之下,回收铂的碳足迹比直接从矿山中提取的要低,这只是因为它不需要从岩石中提取。

好消息是,通过正确的技术,几乎所有使用过的铂都可以回收和回收,而且不是一次,而是多次。麦肯纳补充说:“今天使用的一些铂可能是几十年前开采出来的,因为它一直在循环。”

你需要不断思考你需要使用什么原材料,以及你如何把它们拿出来

Johnson Matthey公司研发总监伊丽莎白·罗塞尔

可持续性设计

为了有效地重复利用贵金属,产品在设计时需要考虑到这种循环。

从电池或燃料电池中提取更小的物质块(小到原子)和听起来一样困难。除了高效的回收过程,产品的回收过程也需要像原始生产过程一样仔细考虑。这要从高效的研发阶段开始。

庄信万丰(Johnson Matthey)的企业研发总监伊丽莎白•罗塞尔(Elizabeth Rowsell)说:“当你在发明时,你已经需要考虑到产品会被回收利用。”

他说,你需要不断思考需要使用哪些原材料,以及如何把它们弄出来。

例如,电池的设计使它们可以在生命周期结束时拆卸。活性成分被粉碎成粉末,称为“黑质”。“这需要进一步处理,以过滤掉关键材料,包括钴、镍、锰、锂和石墨,以便再次使用。”

如果你观察催化剂表面发生的事情,你会发现只有几个原子在做大部分的工作

Rowsell伊丽莎白

把它铺薄

除了回收利用,人们还在努力尽可能少地使用这些贵金属,用行业术语来说,就是“节约”。

使用先进的表征工具,可以了解材料是如何工作到原子尺度的。然后,科学家们可以引入纳米技术,对材料的结构进行微小的改变,这样他们就可以越来越少地使用铂或铱等稀有金属来达到预期的效果。

从电动汽车上机械拆卸电池

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虽然电动汽车可以减少运输中的排放,但电池需要大量的矿物质。

“如果你观察催化剂表面发生的事情,你会发现只有几个原子在做大部分的工作,”罗塞尔说。因此,无论你是在制造催化转换器、绿色氢电解器还是燃料电池,你都只需要把宝贵的原子放在你想要的地方。

通过将原子精确地放置在需要它们的地方,对关键材料的需求可以保持在最低限度,从而减轻供应压力。

以更可持续的方式生产产品

要克服关键材料供应给能源转型带来的挑战,没有单一的答案。

可持续的产品设计、高产的回收利用以及关键材料和贵金属的精确应用都将有助于减轻现有供应的压力。

但它们只是我们实现净零所需要的一些因素。正如国际能源署所概述的那样,对多样化资源、供应链弹性和强有力的环境标准进行充分投资,对于实现碳中和的未来也至关重要。