《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Comprehensive Review of Catalyst Structures and Reactor Designs for Efficient Hydrogen Production via Steam Reforming of Methane
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氢能生产的关键技术及挑战：甲烷蒸汽重整（SRM）工艺面临催化剂烧结与碳沉积导致的活性下降问题，本文系统分析了SRM反应机制，贵金属与非贵金属催化剂的性能差异及优化策略，对比了膜反应器、微通道等新型反应器的效率与特点，并综述了压力摆动吸附等分离技术的应用，提出多技术协同创新方向。
Xining Guo|Zhourong Xiao|Ji-Jun Zou|Guozhu Li|Desong Wang
中国秦皇岛燕山大学环境与化学工程学院应用化学河北省重点实验室，亚稳态材料科学与技术国家重点实验室（MMST），066004
摘要
通过甲烷蒸汽重整（SRM）生产氢气是一种关键且实用的方法，占全球氢气供应量的50%以上。然而，在高温和低蒸汽与甲烷比例的条件下，催化剂容易发生烧结和碳沉积，导致催化剂活性和稳定性急剧下降，这构成了一个重大挑战。本文首先阐明了SRM的反应机理，并概述了提高碳抗性和防止烧结的方法。随后部分系统地回顾了近年来贵金属和非贵金属催化剂的发展，探讨了载体形态、结构特征和性质对SRM氢气生产效率的影响。接着，本文介绍了用于SRM的各种反应器类型，包括膜反应器、微通道反应器、等离子体反应器和光热催化反应器。最后，本文介绍了与SRM过程相关的几种分离技术，并总结了它们的特点。预计本文将为促进高效氢气生产技术的进步提供有价值的见解和创新方法。
引言
由于经济增长和工业发展，全球能源需求持续增长[1]。化石燃料的过度燃烧会释放温室气体，对环境造成危害[2]、[3]，这使得氢能（H?）成为未来能源战略的重要组成部分[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。甲烷具有氢碳比高、成本相对较低以及利用率高等优势，并且应用途径多样（图1）。与从可再生资源生产氢气相比，甲烷蒸汽重整（SRM）会产生CO?副产品，并导致较高的碳排放（12.3~13.9 kg CO?-eq/kg H?）。尽管有这些排放问题，但国际能源署（IEA）2025年《全球氢能展望》数据显示，使用碱性电解槽技术生产氢气的成本为10.04欧元/千克，而传统的SRM生产氢气的成本仅为2.62欧元/千克。
传统的蒸汽重整过程存在高碳排放、催化剂失活和能耗高的问题，这与绿色和低碳发展目标不符[9]。通过优化催化剂、整合新技术、创新反应器设计以及采用碳捕获、利用和储存（CCUS）技术，可以减少二氧化碳排放。此外，利用太阳能、风能和水力发电驱动的甲烷蒸汽重整生产氢气将成为一个重要趋势。总体而言，由于其成熟度较高以及效率和成本效益的结合，蒸汽重整仍然是全球主导的氢气生产方法。
SRM反应机理
甲烷蒸汽重整（SRM）是一种关键的工业过程，在高温和催化条件下将甲烷和蒸汽转化为合成气（主要由一氧化碳和氢气组成）。其反应机理包括催化剂表面的主要和次要反应、吸附、解离、转化和脱附过程，以及操作条件对反应路径的调控。
SRM反应催化剂的研究进展
催化剂性能与成本之间的平衡决定了SRM反应的催化效率和经济效益[15]、[16]、[17]。根据活性组分的化学性质，催化剂可分为贵金属催化剂（如Ru、Pt和Pd）和非贵金属催化剂（如Ni、Co、Mn和Cu）。以下部分系统地比较了这两种催化剂类型在电子性质等方面的显著差异。
膜反应器
膜反应器是一种在反应过程中同时实现产物生成和分离的装置。它利用压力、浓度、温度或电位梯度等驱动力实现组分的选择性渗透[107]、[108]、[109]、[110]。图6展示了各种类型的膜反应器。通过原位分离H?来打破热力学平衡，这些反应器在中等条件下提高了CH?转化率和H?纯度。
变压吸附净化技术
变压吸附（PSA）技术利用吸附剂在不同压力条件下对不同气体组分的吸附性能差异来分离气体[166]、[167]、[168]、[172]。结论与展望
总结来说，本文首先阐明了SRM的反应机理，并概述了提高碳抗性和防止烧结的方法。随后部分系统地回顾了近年来贵金属和非贵金属催化剂的发展，探讨了载体形态、结构特征和性质对SRM氢气生产效率的影响。接着，本文介绍了用于SRM的各种反应器类型。
未引用的参考文献
[26]、[85]、[86]、[87]、[96]、[97]、[98]、[99]、[100]、[101]、[102]、[103]、[104]、[105]、[106]
CRediT作者贡献声明
Guozhu Li：撰写初稿、监督、方法学设计、实验研究、数据分析。Desong Wang：撰写初稿、监督、项目管理、方法学设计、实验研究、数据分析。Zhourong Xiao：撰写初稿、监督、方法学设计、实验研究、数据分析。Ji-Jun Zou：监督、方法学设计、实验研究、数据分析。Xining Guo：撰写初稿、软件开发、方法学设计、实验研究、数据分析。
致谢
本研究得到了河北省自然科学基金（项目编号B2024203016）、河北省教育厅科技项目（项目编号QN2023094）、秦皇岛市重点研发计划（项目编号202401A008）以及河北省应用化学重点实验室运行绩效补贴（项目编号22567616H）的支持。
