FIE | Review：加拿大滑铁卢大学李献国教授——化石燃料制氢综述
论文标题：Production of hydrogen from fossil fuel: A review
期刊：Frontiers in Energy
作者：Shams ANWAR , Xianguo LI
发表时间：15 Oct 2023
DOI：10.1007/s11708-023-0886-4
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研究亮点
1、强调了利用非贵金属催化剂如镍（Ni）、钴（Co）和铜（Cu）基合金进行制氢的必要性，以降低成本。
2、回顾了从化石燃料中制氢的各种方法，包括热解、部分氧化、自热和蒸汽重整，并特别强调了通过甲烷蒸汽重整催化制氢的重要性。
3、总结了多组分催化剂的组成，特别是由多种非贵金属材料组成的催化剂。Ni/Al2O3催化剂因能有效抑制催化剂上的焦炭形成而备受关注，被认为是最经济且性能最好的选择。
4、提出了将制氢与碳捕集、利用和储存(CCUS)相结合的重要性，以避免碳排放。并描述了仍然存在的挑战、前景以及未来研究和发展方向。
图1 产氢方法总结。
AWE：碱水电解；SOE：固体氧化物电解；PEME：质子交换膜电解
研究背景及意义
氢被认为是工业过程和能源领域脱碳的关键组成部分，用于缓解气候变化。在交通和其他难以脱碳的领域，氢气正在被积极开发以替代化石燃料。然而，地球上并没有大量纯净的氢气，因此需要从其他可用的自然资源中生产。因此，任何大规模商业化的氢气使用都需要能源高效、经济环保的生产方法，即低成本的氢气。许多方法可用于从各种自然资源中制氢。目前大部分氢气仍然来自化石燃料，在这方面，化石燃料预计将在未来仍然是主要的氢气来源。然而，当前氢气最经济的生产方法是从化石燃料中生产，在此过程中，贵金属如铂（Pt）、金（Au）、钌（Ru）和银（Ag）被用作催化剂。总而言之，开发基于非贵金属的催化剂，包括镍（Ni）、钴（Co）、和铜（Cu），已成为研究的主要焦点。传统氢气的生产会导致不可避免的CO2排放，因此，对化石燃料中的制氢进行碳捕集、利用和储存是至关重要的，以避免温室气体排放。本文目标是回顾从化石燃料中生产氢气的各种方法，强调催化生产氢气作为最具成本效益和效率的方法。
研究内容及主要结论
一、从化石燃料中生产氢气的方法
主要研究了利用化石燃料进行制氢的方法。研究包括对各种化石燃料加工方法的效率进行比较，并探讨了这些方法如何从化石燃料中提取氢气，同时产生副产品。具体方法涉及高温热分解碳氢化合物或改变分子结构。热重整的启动有多种方式，包括部分氧化、自热重整和蒸汽重整。结果表明，通过化石燃料加工生产氢气是一种高效、低成本的方法，可以提高氢气产量。这些方法需要通过催化来保证氢气的选择性，并优化操作条件，以实现最佳的氢气产量和效率。
图2 世界能源消耗数据
二、甲烷催化产氢
研究了利用甲烷催化产氢的方法及相关问题。介绍了化石燃料在全球制氢中的重要性，其中天然气占比最高，而可再生资源仅占很小比例。特别强调了甲烷作为天然气的主要成分，在制氢中具有巨大的潜力，并且与二氧化碳排放的关系。重点讨论了蒸汽重整法（SRM）作为最成熟的制氢方法之一，其工业应用和技术发展现状。在SRM过程中，除了产生氢气外，还会得到一定量的一氧化碳和二氧化碳，从而产生合成气。此外，还探讨了SRM过程中存在的挑战，如甲烷活化困难、催化剂设计和处理二氧化碳等问题。尽管SRM过程存在一些挑战，但作为目前最成熟的制氢方法之一，仍然具有巨大的潜力和重要的应用价值。为了克服这些挑战，需要进一步改进催化剂设计，降低成本并提高活性。未来的研究方向应重点关注非贵金属基合金催化剂的开发和应用，以提高制氢的效率和可持续性。
图3 甲烷蒸汽重整产氢的工艺流程图
三、非贵金属基合金催化剂产氢
