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,而且往往对采矿环境有害。Johnson Matthey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未来至关重要。

“当世界由蒸汽驱动时,大约需要8个要素。当它以石油为动力时,需要的关键元素大约是现在的两倍。现在我们正在向电气化和可再生能源发展,我们大约需要50种元素,其中一半是关键和稀缺的。”

这是庄信万丰(Johnson Matthey)创新总监苏珊娜•埃利斯(Suzanne Ellis)对从化石燃料转向可再生能源所面临挑战的总结。许多清洁能源技术高度依赖关键材料、贵金属和包括铂、铱、镍和钴在内的稀土元素。

不仅如此,他们比以往任何时候都需要更多。例如,根据国际能源机构(IEA)的要求,尽管电动汽车可以大大减少道路上的有害排放六倍的矿物质含量与内燃机车相比。

你能回收的越多,你就越能建立对达到净零排放至关重要的资产和基础设施

尤金·麦肯纳,庄信万丰绿色氢气董事总经理

相关元素的稀缺性意味着,随着能源转型加速,存在短缺、价格波动和供应中断的风险。正如国际能源机构在一份新报告中指出的那样,这些潜在的短缺将会严重阻碍我们的进步到2050年实现净零排放的目标。

作为一家专业从事贵金属提炼和使用的公司,Johnson Matthey在19世纪作为黄金和铂金的化验师,一直致力于解决方案,以确保这些关键材料的可持续水平。

回收贵金属

这需要16年以上根据国际能源署的分析,从矿藏的发现到矿井的首次生产,平均而言,这一比例为20%。而采矿业只是漫长价值链的一部分。

为了满足日益增长的需求,回收这些材料,包括贵金属,是一个绝对的优先事项。

在传送带上搬运成堆的岩石

来源:©伤风

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

“关键原材料的回收将对能源转型至关重要,因为如果不进行回收,这些关键材料的未来使用将受到阻碍,”庄信万丰绿色氢的董事总经理尤金•麦肯纳(Eugene McKenna)说。庄信万丰正在开发电动汽车电池、燃料电池和其他电池的闭环回收系统绿色氢电解槽

“或者更积极地说,回收利用的资源越多,建设的资产和基础设施就越多,而这些都是实现净零排放的关键。”

Johnson Matthey是最大二次炼油企业,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,铂不仅用于催化转化器,还用于汽车尾气处理catalyst-coated膜Johnson Matthey为质子交换膜电解槽生产的绿色的氢。绿色氢是利用可再生能源从水中电解产生的,生产和使用都是无碳的。

今天使用的一些铂可能是几十年前开采的,因为它一直在循环

尤金·麦肯纳

作为家庭供暖、交通和工业中化石燃料的清洁替代品,对氢的需求将会增加到2030年将达到2.5倍.这有可能大幅增加对铂金的需求。

铂的提取和相关工艺对于帮助满足这些需求很重要,但它们是高度能源密集型的。

麦肯纳说:“在某些情况下,你必须开采40吨的岩石,才能从中获得不到一盎司的铂,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铂要低,这仅仅是因为它不需要从岩石中提取。

好消息是,如果采用正确的技术,所有使用过的铂金都可以被回收和回收,不是一次,而是多次。麦肯纳说:“今天使用的一些铂可能是几十年前开采的,因为它一直在循环。”

你需要不断思考你需要使用哪些原材料,以及如何将它们回收

Elizabeth Rowsell,公司研发总监,Johnson Matthey

可持续性设计

为了有效地再利用贵重金属,产品设计时需要考虑到这种循环。

从电池或燃料电池中提取出越来越小的物质块——直到原子——和听起来一样困难。除了高效的回收过程外,产品的回程也需要像最初的产品一样经过深思熟虑。这从一个高效的研发阶段开始。

Johnson Matthey公司的企业研发总监伊丽莎白•罗塞尔(Elizabeth Rowsell)说:“当你进行发明时,你已经需要考虑被回收的产品了。”她的团队致力于设计考虑循环性和可持续性的产品。

他说,你需要不断思考需要使用哪些原材料,以及如何将它们运回市场。

例如,电池被设计成可以在其生命周期结束时拆卸。活性成分被粉碎成一种称为“黑色团块”的粉末。“这需要进一步处理,过滤出关键材料,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的情况,你会发现只有少数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,用工业术语来说就是“节约”。

使用先进的表征工具,有可能理解材料如何工作到原子尺度。然后,科学家可以引入纳米技术,对材料的结构进行微小的改变,这样他们就可以使用越来越少的稀有金属,如铂或铱,以达到预期的效果。

机械师正在拆卸电动汽车上的电池

来源:©伤风

虽然电动汽车可以减少运输过程中的排放,但电池需要大量的矿物质。

“如果你观察催化剂表面的情况,你会发现只有少数几个原子在做大部分的工作,”Rowsell说。“所以,无论你是在制造催化转换器、绿色氢电解器还是燃料电池,你都只需要把这些宝贵的原子放在你希望它们在的地方。”

通过将原子精确地放置在需要它们的地方,可以将关键材料的需求保持在最低限度,从而减少供应压力。

以更可持续的方式生产产品

解决关键材料供应给能源转型带来的挑战,没有单一的解决办法。

可持续的产品设计、高产回收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,对多样化能源来源的充分投资、供应链的弹性和严格的环境标准,对实现碳中和未来也至关重要。