镍催化剂在交通运输脱碳中的应用

镍催化剂在生物柴油、可再生柴油和可持续航空燃料的生产中发挥重要作用。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源转化中都起着关键作用。此外，镍催化剂还可用于制氢水电解槽。氢气可以直接燃烧，用于燃料电池，用于加氢处理其他可再生燃料，也可转化为另一种燃料，如甲醇或氨。氢气还可以用于其他化学品的净零生产，或用于铁矿石炼钢。

电解槽和燃料电池

电解槽将水分解成氢和氧。燃料电池是一种反向电解槽，通过将氧气和氢气结合成水来产生电能。当使用可再生能源制氢时，这种氢被称为“绿”氢，国际能源署预测，未来 25 年对绿氢的需求将呈爆炸式增长。

目前可供使用的电解槽有四种：聚 合 物 电 解 质 膜（也 称 为质 子交换膜，PEM）、碱性水电解槽（AWE）、阴离子交换膜（AEM）和固体氧化物电解池（SOEC）。虽然 PEM 电解槽效率最高，但它需要使用铂和铱作为电催化剂，而其他三种技术使用镍基电催化剂。在含镍的电解槽类型中，AWE 是商业上最先进的。AWE 的阳极、阴极和电解槽流场组件中均含有镍。

流场由一个松散的镍网组成，以便于传输电解质和析出气体。阳极通常是由烧结纤维组成的工程镍网，而阴极是涂有催化剂的类似镍纤维网。这些催化剂是供应商专用的，但常用的是 NiFeOx。

不同催化剂的优点和缺点

因为AWE的资本成本相对较低，所以使用的越来越多，但为了最大限度降低生产成本和满足可再生电力的需求，AEM和SOEC也正在被引进。与 AWE 相比，AEM 的电效率更高，使用的材料也类似，因此通常认为是 AWE与 PEM 的中间体。与 AWE 一样，AEM 使用镍网来控制流量和输送电流，也使用镍催化剂。与 AEW 中使用的相对简单的催化剂相比，AEM催化剂往往设计得更高级。建议使用的具有高性能的阳极催化剂包括附在碳纸上的 NiFe 层状双氢氧化物和附在 Ni泡沫上的 NiCoSe合金。阴极催化剂倾向于采用附在镍网上的 NiFe和NiCo合金。

SOEC可在非常高的温度下（>600℃）运行，并具有较高效率，能够将废热集成到工业应用中。在SOEC 中，电催化剂（通常是镍金属颗粒）直接附在电解质上，电解质是一种在高操作温度下对离子导电的金属氧化物。

独一无二的镍

这些仅仅是使用镍催化剂和其他成分在未来低碳环境中发挥作用的例子。镍相对较低的成本，对腐蚀性物质的惰性，以及在电解槽中的具体性能特点，使其成为这些新兴技术不可替代的一部分。

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进行了研究。镍钼合金成分最终在 1921 年被授予专利，在 1923 年引进了镍含量为 60%、钼含量为 30% 的 B 型镍基（镍钼）合金。

B型合金具有特殊的耐还原酸能力，主要在盐酸、硫酸以及乙酸、磷酸和甲酸环境中使用，但对氧化环境的耐腐蚀性较差。因此，不建议在氧化介质中，或在可能导致快速过早腐蚀的铁盐或铜盐的环境中使用。当盐酸与铁和铜接触时，可能会形成这种盐，具体应用包括反应容器、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，以提高性能、增加马力。这一应用最终被其他超合金取代。 

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，抵制晶界碳化物的形成。这种耐腐蚀性的改善尤其有利于焊接后的热影响区。 

在 B-3 型合金中，该成分被进一步优化，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耐腐蚀性，但镍基为工程合金提供了基础，并为制造和焊接到工业设备中提供便利。

引导可持续海洋燃料的发展

国际海事组织（IMO）的目标是到2050年将温室气体总排放量（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。为实现这一目标，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，因为它在室温下即可保持液态，而氢和氨需要分别在 -33℃ 和 -253℃下保持液态。

氢

氢作为燃料，可以燃烧也可以通过燃料电池发电。然而，液态氢在-253℃ 的存储更为复杂，由于其体积能量密度较低，所以需要比甲醇和氨水更大的储罐。如果可以建造专用的海洋油轮（氢也能为船舶提供燃料），氢作为燃料是可行的。

目前，氢气是通过天然气的蒸汽重整来生产的。为了实现碳中和或零碳，需要使用可再生能源或核能将水电解，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高要求。例如，含镍不锈钢能抵抗氢对其性能的渗透和降解，而 -253℃的存储特点要求含镍不锈钢在极低温下具有韧性。

氨

人们对氨的兴趣也很大。虽然其毒性很高，但常应用于氮基化肥的生产过程。使用氨作为内燃气的直接替代燃料的计划项目包括：日本 NYK将现有拖船从液化天然气燃料改造为氨燃料，以 及Viking Energy将海上供应船转换为氨燃料电池。

氨通过哈柏法生产。该工艺是在高温高压下使用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少的。

甲醇

甲醇目前被用作船用燃料，但它是一种由天然气生产的碳基燃料。虽然可以从生物质中生产碳中和甲醇，但也有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持续船用燃料以减少温室气体的排放方面发挥了关键作用。