综述：环境友好型制氢方法的系统评价：反应器技术对最佳效率和可持续性的比较分析

这篇综述系统评价了37项同行研究（2018-2024Q2），聚焦生物质气化（Biomass Gasification）、自热重整（ATR）、光化学水分解（Photochemical Water Splitting）、水电解（Water Electrolysis）和蒸汽重整（Steam Reforming）五种低碳制氢技术，揭示了各自在效率、能耗及可持续性上的优劣，并强调需通过催化剂创新、可再生能源整合及区域定制化方案推动氢能经济转型。

　　

引言

氢能作为高能量密度、零碳排放的能源载体，其生产方式直接影响全球脱碳进程。近年来，生物质气化、自热重整、光化学水分解、水电解和蒸汽重整五种技术因环境友好特性备受关注，但各自存在效率、成本和规模化应用的瓶颈。本文通过系统分析37项前沿研究，揭示不同反应器技术的优化路径。

创新性可持续制氢技术

生物质气化通过高温热解有机质产生合成气（H₂
/CO），但焦油副产物和催化剂失活（如Ni烧结）制约效率。Xu等开发的TiO₂
/NiWO₄
多层膜催化剂在800°C实现63%萘转化率，而等离子体气化技术使Enteromorpha藻类的?效率达74.46%。

自热重整（ATR）结合部分氧化与蒸汽重整，NiY_0.2
Zr_0.65
O_1.75
催化剂通过氧空位提升乙酸转化率至100%，氢产率达3.0 mol-H₂
/mol-HAc。Sun等设计的Cu₂
O/Ca₂
Fe₂
O₅
氧载体在240°C实现37.6 μmol·H₂
·g^?1
·s^?1
的低温高效产氢。

光化学水分解依赖光催化剂（如Pt/GaP-TiO₂
-SiO₂
）的Z型异质结，在模拟海水中产氢速率达94.0 μmol/g，但量子效率不足3.5%（430 nm）。CdS/ZnFe₂
O₄
/Cu₂
O核壳纳米棒阵列通过阶梯型能带排列提升可见光响应，产氢量134 μmol/h。

水电解中，RuP₂
@InC微片双功能催化剂在中性条件下实现节能制氢，而生物炭牺牲阳极技术降低能耗至铂阳极的60-76%。碱性电解与风光能源结合时，成本可降至6.33-8.87 $/kg H₂
。

蒸汽重整仍主导工业应用，但NiCaOx/NaCl催化剂在650°C实现100%乙醇转化，ZnCeZrOx催化剂通过Ce掺杂氧空位将甲醇转化率提升至99.8%。太阳能回流反应器（SMSRR）整合热循环设计，能量转化率提高19.5%。

挑战与解决方案

• 生物质气化需解决焦油污染，等离子体技术和IGCC系统可提升能效。
• ATR依赖精准温控，Pd/MoC催化剂在160°C实现807 mol-H₂
  ·molPd^?1
  ·h^?1
  的高活性。
• 光化学水分解受限于材料稳定性，GaInZnON@GaInON同质结通过I型能带对齐促进电荷分离。
• 水电解的高成本问题可通过非贵金属催化剂（如MnFeOOH/Ni₃
  S₂
  ）和风光互补供电缓解。
• 蒸汽重整的碳排放需结合CCS技术，Ni/Al₂
  O₃
  -灰分催化剂在450°C实现83.8%氢产率。

规模化与可持续性评估

蒸汽重整和ATR的成熟度最高（成本1-2 /kgH₂），但碳足迹达9?12kgCO₂?eq/kgH₂；水电解配合可再生能源可趋近零排放，而生物质气化结合CCS可实现负碳。光化学水分解虽理论清洁，但成本超10/kg H₂
且效率待突破。

结论

未来需通过跨领域合作开发高效催化剂（如抗积碳Ni基材料）、优化反应器设计（如微通道强化传质），并依据区域资源禀赋选择技术组合，例如太阳能丰富的地区可优先发展光化学-电解耦合系统。这一多技术协同路径将为全球氢经济奠定基石。