数字储能网讯：电催化、太阳能电池、燃料电池、锂电池、生物质能5大清洁能源技术正协同构建新型能源体系的核心支柱。本文分析了五大清洁能源的资源利用、技术发展和未来趋势，提出构成“发电—储能—转换—利用”一体化的清洁能源生态链，为清洁能源的进一步推广和可持续发展提供参考。
能源作为国民经济的基础产业，其发展与变革始终与经济社会的发展紧密相连。随着全球能源需求的持续增长和环境问题的日益严峻，传统能源的过度使用已经给地球环境带来了严重的污染和破坏。为了解决这些问题，须转向清洁能源的开发和利用，以期减少对传统能源的依赖，降低环境污染，并推动经济的可持续发展。清洁能源以其可再生性和清洁性的特点，成为全球能源转型的焦点。
1 “液态阳光”：碳捕集、绿电制氢与催化合成
“液态阳光”的概念由中国科学院液态阳光研究组于2018年9月在Joule上首次正式命名，旨在描述一种生产过程碳排放极低，甚至为零的清洁甲醇。其核心思路是利用太阳能、风能等可再生能源发电来电解水制取绿氢，然后催化捕捉的二氧化碳（CO2）与绿氢反应合成甲醇（CH3OH），从而将可再生的能量以液态化学燃料的形式储存和利用，形成一个近乎零排放的循环，示意如图1所示。这一技术已走出实验室，进入工业化示范阶段并取得了实质性突破。
尽管技术前景广阔，但“液态阳光”要实现大规模商业化，仍需跨越3个主要障碍：
（1）成本是当前主要障碍；
（2）技术整合与系统复杂度高；
（3）碳定价机制不完善。
因此，可以通过技术降本增效、政策碳税引导、多元化市场应用以及规模效应与产业链协同，共同推动液态阳光甲醇商业化。
图1 液态阳光能源方案示意
1.1 CO2还原
由于与高生活水平相关的能源需求不断上升，通过提高传统化石燃料的利用效率来减少CO2排放是不切实际的。因此，将CO2转化为有用的化学品和燃料更具吸引力，不仅可以减轻环境污染，还可以产生增值化学物质，为应对能源和环境挑战提供了双重补救措施。CO2电化学转化是一种有前景的能量转换方法，也可以捕获CO2排放。
华中科技大学夏宝玉团队在Nature中的研究指出一种质子交换膜系统，并利用废旧电池回收制备铅基催化剂，用于酸性CO2电解。其电解槽示意如图2所示。通过使用坚固高效的催化剂、稳定的三相界面和耐用的膜，这种卓越的性能将有助于推动碳中和技术的发展。
图2 CO2RR 的质子交换膜电解槽示意
清华大学王定胜团队研究表明，具有活性单位点的均质分子复合物在电催化转化过程中有很大的前景。团队展示了一种超分子结构策略，该策略利用氧位点来加强复合物、支持相互作用，从而阐明了空间间隙影响的析氧反应（OER）催化机制。实验结果表明，窄间隙将有利于电子穿梭并稳定分子复合物，从而实现安培级电流密度。
中国科学技术大学吴宇恩团队在Nature Synthesis中的研究指出通过控制碳酸盐壳的类型，可以精确控制还原过程中高价态向价态演化的速率，引导重构催化剂向高活性、低配位结构的小颗粒方向发展。此外，可以通过控制碳酸钾涂层外壳的厚度来调节低配位结构（如晶界密度）的产生，从而优化CO2RR的性能。
重庆大学李存璞团队发表在Small中的研究指出，利用静电纺丝技术合成了多种锡基材料，以控制电化学还原过程中的吸附强度，从而提高CO2对甲酸盐的还原选择性。
夏宝玉团队从稳定、长寿命、低成本的系统角度出发；王定胜、吴宇恩及李存璞团队从高性能催化剂角度出发。在催化剂设计上，各团队都围绕“精准调控活性位点局域环境”这一核心。
1.2 电解水制氢
氢有着高能量密度、零碳排放及可再生等优势，被认为是最具发展前景的化石燃料替代品。两个半电池反应驱动这一过程：析氢反应（HER）和析氧反应（OER）。研发一种高性能的OER电催化剂对于提升水分解电池的整体效能至关重要。
北京科技大学庞晓露团队在研究中指出“电子岛”微界面工程策略，通过层级结构设计与量子点耦合，开发了高效稳定的FeP@NiCoP/Mo4P3异质结催化剂。这一策略为低成本、高性能氢能催化材料的开发提供了新思路，并验证了复杂环境下界面工程的实际应用潜力。
北京化工大学孙晓明团队在Nature中的研究指出，波动性可再生能源驱动的海水电解中阴极氧化腐蚀问题，如图3所示。
图3 电解（海）水启停循环下阴极的氧化与腐蚀
美国俄勒冈大学化学与生物化学系Paul A.Kempler团队在Chemical Reviews中的研究指出，电解水过程中析氢反应和析氧反应产生的气泡会影响制氢的能量转换效率。其工作也概述了气泡生命周期中发生的物理过程，如图4所示。
图4 碱性电解质析氢反应过程中H2（g）气泡的“生命周期”示意
1.3 合成氨（NH3）
NH3是合成化肥、药品、精细化学品和塑料的重要化工商品，是现代文明的基石。NH3具有高的重量氢密度（17.8%），与甲醇相当的高能量密度，以及易于液化、便于储存和运输等有利特性，因此，NH3作为直接燃料和氢载体具有巨大的潜力。其中氮还原为NH3是实现可持续发展的关键途径。
中国科学院大学王要兵团队在Advanced Materials中的研究指出NH3合成过程的6个里程碑，如图5所示。青岛科技大学赖建平团队在Chinese Journal of Catalysis中的研究指出采用协同策略，制备碳包覆的超低四维金属钌掺杂液态金属镓（Ru0.06/LM@C），用于在宽范围N2浓度内进行氮还原反应。
图5 氮还原为氨的里程碑时间线
2 太阳能电池：让每一缕阳光都充满价值
太阳能电池的工作原理是直接将太阳光能转变为电能，是一种清洁、可再生的能源，不产生温室气体排放，有助于减少对化石燃料的依赖。关于太阳能电池的热点研究种类主要包括以下方向。
2.1 染料敏化太阳能电池
染料敏化太阳能电池为利用植物光合作用激发的太阳能提供了一种很有前途的创新方法，研究主要集中在低成本、卓越的透明度、可持续性和简单的制造工艺上，工作原理如图6所示。
图6 染料敏化太阳能电池原理
复旦大学彭慧胜团队在Advanced Materials中的研究指出，通过发挥纤维结构的360°受光优势，最大限度地利用纤维电极的活性面积来增强光捕获，以提升光伏性能。设计了一种纤维染料敏化太阳能电池（FDSSC），在最外层封装管上构建了光扩散层，在内部对电极上构建了光转换层。光扩散层呈现均匀的白色外观，且在其中引入少量颜料即可实现外观颜色的调控，大幅提高了纤维太阳能电池的可设计性，以及与织物的兼容性。
2.2 硅太阳能电池
因碳纳米材料具有宽光谱吸收、可调谐能带结构以及高载流子迁移率等优势，被认为是碳/硅（C/Si）异质结太阳能电池最有前途的材料之一。
河北大学陈剑辉团队在Advanced Science中的研究指出，通过界面钝化策略设计了碳/硅异质结太阳能电池，以进一步提高功率转换效率，并加速C/Si器件的大面积制备。
江苏科技大学李阳团队在Nature中的研究指出为避免外延，采用低损伤连续等离子体化学气相沉积策略，成功制造出不同厚度（55~130 μm）的高性能电池。以“超薄、柔性”晶硅异质结太阳能电池的优势，其结构与工艺示意如图7所示，使得用于旅行的弯曲或卷起晶体硅太阳能电池指日可待。
扬州大学丁建宁团队在Nature中的研究指出新型的致密异质结钝化接触，突破行业一直以来的180~210℃的异质结制备瓶颈。
哈尔滨工业大学陈冠英团队在研究中指出，一种多功能铒（Er3+）和镱（Yb3+）共掺杂NaY（WO4）2荧光粉，具有同步光子上转换、光子量子切割和发光比率温度传感能力，为高性能硅材料开辟了新的可行性太阳能电池。
图7 “超薄、柔性”晶硅异质结太阳能电池结构与工艺示意
现阶段，对能源的需求量大幅增大，导致硅太阳能电池板使用量猛增，必须要将报废的硅太阳能电池板合理地回收处理，减少对生态系统的负面影响，确保资源的长期可利用性。武汉大学尹华意团队在Nature Sustainability中的研究指出一种简单的盐蚀刻方法，仅需180 s就可以从报废的硅太阳能电池板中回收银和硅，且未使用无机酸等有毒试剂，更不会有二次污染产生。同时，硅太阳能电池板中的锡、铝、铜和铅也能被氧化、碱浸和电沉积相结合的方法进行处理。美国国家可再生能源实验室研究人员在Joule中指出了成本敏感性分析，提高组件效率是降低成本的最高效途径。在此，其团队提供了钙钛矿/硅串联（PST）光伏模块4 T和2 T设计的成本模型，如表1所示。
表1 效率与成本表
3 燃料电池：驱动未来的清洁能源
燃料电池是一种化学装置，能够将燃料内含的化学能直接高效地转化为电能，因此也被称作电化学发电器。燃料电池具有以下优点：
能源效率高、可持续性利用；
在环境方面可以做到零排放、低噪声等优点；
在交通运输、固定电站以及便携式电源等应用领域方面占据重要地位。
3.1 氢氧燃料电池
氢氧燃料电池（HOFC）的运作机制建立在氢气和氧气于电极界面发生的氧化还原反应之上，此过程通过外部电路实现电子的传输，进而产生电能。该类型电池展现出高效能与环保清洁的显著优势。
重庆大学魏子栋团队在Nature Energy中的研究指出一种量子井状催化结构（QWCS），可以选择性地从氢氧化反应中转移外部电子，同时自身仍保持金属性。QWCS催化的阴离子交换膜燃料电池实现了486 mW/mgNi的高功率密度，并在关机−启动循环期间经受住了氢不足操作。
厦门大学黄小青团队在研究中指出，通过溶液相还原策略合成了具有六方紧密堆积（hcp）和面心立方（fcc）相界面的Ru−Sn纳米花，这些纳米结构表现出极高的碱性氢氧化反应活性和耐久性。
用氢能代替燃油驱动各种交通工具，不仅能实现交通领域节能减排，而且能提高国家能源的安全性。但其发展必须攻克成本难点：
第一，目前燃料电池发动机比较贵倍；
第二，加氢站的建设费用比较高；
第三，加氢站的加氢费用每千克为60~70元，只有降到30元以下才能跟燃油车竞争。
魏子栋团队致力于提出开创性的解决方案，黄小青团队则提供了可快速应用的优化方案。共同推动燃料电池走向大规模普及（表2）。
表2 成本降低目标和普及时间预测表
3.2 直接性燃料电池
直接甲醇燃料电池（DMFC）作为一种新型燃料电池，有着较低的工作温度、超高能量密度以及小体积等优点。DMFC使用甲醇作为燃料，无须配置高压氢气罐，大大增强了其便携性。同时，也从一定程度上确保了安全。
中国科学院长春应用化学研究所邢巍团队在Angewandte Chemie International Edition中的研究指出，结构自适应策略可以通过引入动态Fe–F键打破氧还原中间体吸附能的线性缩放关系。
深圳大学骆静利团队在Advanced Materials中的研究指出，一种表面富集铋（Bi）单原子修饰的铂（Pt）纳米环催化剂，其在DMFC中显著降低铂载量的情况下实现较高的功率密度。
重庆大学魏子栋团队在Journal of the American Chemical Society中的研究指出，一种非包覆型催化剂/离聚物界面结构，不仅可以避免Pt与磺酸基团直接接触毒化，而且在氧还原反应过程中，氧气可以不用穿过致密的Nafion离聚物层直接到达催化剂表面参与反应，大幅降低了氧气局域传质阻力。
4 锂电池：储能领域的明星产品，引领行业新风尚
随着现今社会能源存储技术的革新、新能源汽车的发展、节能减排与环境保护的意识不断向好，提高能源利用效率和安全性迫在眉睫。锂离子电池是最具潜能实现以上需求的电池。
4.1 商业化锂离子电池
中国科学院大学温兆银团队在Advanced Materials中的研究指出，通过氨水选择性溶解镍离子，结合KMnO4还原沉积在材料表面生成MnO2涂层，有效减弱了晶体结构的相变倾向，减少了Li/Ni混排，从而提高了材料的结构稳定性。
清华大学欧阳明高团队在Joule中的研究指出，特定的还原性气体在热失效发生前的早期热积累阶段占主导地位，只要切断这种“还原性攻击”的反应途径，就可以很容易地防止热失控。
宁波东方理工大学孙学良团队在Nature Nanotechnology中的研究指出一种超离子导体，高锂兼容性和空气稳定的富含空位的β−Li3NSSE。使用富含空位的β−Li3N作为固态电解质中间层和钴酸锂（LCO）和富镍的LiNi0.83Co0.11Mn0.06O2（NCM83）正极的全固态锂金属电池表现出优异的电池性能。
4.2 锂硫电池
随着科技的飞速发展，传统锂离子电池虽已成功商业化，但其能量密度已逼近极限，难以满足人类对能源日益增长的需求。在此背景下，锂硫电池（Li−S）以其卓越的性能脱颖而出。其理论容量高达传统锂离子电池的3~5倍，这意味着在相同重量或体积下，Li−S电池能储存更多的能量。此外，硫元素在自然界中广泛存在，天然丰度极高，并且，硫元素对人体无害，无毒无污染，使得Li−S电池在环保方面具有得天独厚的优势。
锂硫电池可以通过“催化”策略和活性中间体策略抑制多硫化物的穿梭效应，其中“催化策略”包括物理吸附和化学吸附。二者协同是提升性能的关键。
中国科学院大学张炳森团队在Nano−Micro Letters中的研究指出，通过NH4F氟化MXene的方法成功制备了具有优化氟分布的TiOF/Ti3C2催化剂，该催化剂显著增强了金属位点与多硫化物之间的相互作用。西江大学Jun Hyuk Moon团队在Energy Storage Materials中的研究指出，调节Li2S电沉积也可以提高硫的利用率。天津大学杨全红团队和清华大学吕伟团队在Advanced Energy Materials中的研究指出，用微孔限制催化策略，以实现硫的平稳固−固转化。电子科技大学熊杰团队在Advanced Materials中的研究指出一种原位封装策略，构建不易燃的准固体电解质（QSE）。
4.3 锂电池的回收利用
锂电池回收再利用是实现新能源产业可持续发展的关键一环，它并非一个简单的“废物处理”环节，而是连接电池生产与使用，实现资源闭环的核心。
宁德时代在其“全球能源循环计划”中提出了“去原生矿化”的远景，目标是未来全球1/2的锂材料来自回收循环。浙江重申环保科技有限公司投资3.5亿元建设年处理5万t废旧动力电池项目。欣旺达公司使用千吨电池修复料，可实现电芯成本减少近千万元。这不仅能降低成本，还增强了供应链的韧性。
5 生物质能：自然与科技的完美融合
生物质能是指借助自然界的大气、水和土地等资源，在经过光合作用后，其生成的各种有机体产物内所蕴含的能量，它是太阳能以化学能形态储存在生物质中的一种形式。
中国农业大学刘志丹团队在Nature Communications中的研究指出，一种基于生物原油重质组分利用的无氢炼制新技术和模式，实现了生物原油几乎全组分增值利用（约90%）。北京化工大学卫敏团队在研究中指出，一种固定在CoAl混合金属氧化物催化剂上的全暴露铂簇合物（Ptn/CoAl−MMOs），该催化剂在糠醛（FAL）的液相加氢反应中表现出突出的催化性能。
6 结论
清洁能源系统在催化、太阳能电池、燃料电池、锂电池及生物质能等领域呈现出技术创新、政策驱动、市场动态、关键领域趋势，以及全球合作与影响等多方面的热点，正在蓬勃发展。
“液态阳光”技术虽然环保优势明显，但目前在经济性方面仍面临严峻挑战；太阳能电池的新兴技术的长期运行稳定性与毒性安全问题待解决；燃料电池制氢、储运、加注基础设施不完善，严重依赖贵金属铂作为催化剂，成本高；锂电池热失控管理、续航焦虑依然存在；生物质能转化效率与选择性待提升。
以清洁能源为支点，借助科学研究突破与产业体系变革的双重驱动，不仅能够推动社会持续向前发展，也将为人类文明的未来提供稳定、可持续的能源基石。
