《洁净煤技术》精品专题丨“氢能前沿与挑战性技术”专题

来源：洁净煤技术

氢能作为未来能源革命重要组成部分，在全球能源转型中扮演重要角色。随着全球对减少温室气体排放和实现碳中和目标的共识不断加深，氢能的重要性日益凸显。我国“十四五”规划将氢能发展列为长期发展战略，旨在通过推进氢能产业的创新与规模化发展，提高氢能产业的技术水平和市场竞争力，构建清洁、高效的氢能产业体系。《新时代的中国能源发展》白皮书强调了我国加速发展制氢、储氢、用氢等产业链技术装备及关键技术研发、示范和规模化应用的决心。《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》进一步明确了氢能作为未来国家能源体系的重要组成部分，是用能终端实现绿色低碳转型的重要载体，也是战略性新兴产业和未来产业重点发展方向。2024年11月8日，第十四届全国人民代表大会常务委员会第十二次会议表决通过《中华人民共和国能源法》,正式将氢能纳入《能源法》,明确氢能在能源安全、能源结构优化和绿色低碳转型中的关键作用，为构建清洁、高效、安全及大规模低成本的氢能产业体系，实现氢能产业高质量发展奠定了坚实的基础。氢能产业链覆盖面广，涉及制、储、输、用全链条，对减少CO₂ 等温室气体排放、深入推进能源生产和消费革命意义重大，但也存在效率不高、成本昂贵等问题。鉴于此，未来的氢能发展必须聚焦于加强先进氢能技术的前瞻性研究和部署，同时提升关键核心技术的水平，包括但不限于化石燃料低碳制氢、可再生能源制氢、工业副产物制氢、氢气储存与输运、氢能高效发电及氢能源化工转化等。目前，我国学者在先进氢能创新技术研究方面已取得了诸多成果。应《洁净煤技术》编辑部邀请，我们策划出版了“氢能前沿与挑战性技术”专题。专题收录了来自西安交通大学、北京理工大学、厦门大学、华北电力大学、广东工业大学、河北大学、南京师范大学等国内多家高校的13篇论文。(1)制氢方向。西安交通大学杨卫卫等开展了光热驱动甲烷在Ni-Sr-Ti 界面上高效转化与积碳抑制策略研究；西安交通大学陈杰等综述了光伏驱动电解水制氢技术的研究进展与挑战；西安交通大学刘茂昌等重点综述了光催化分解水制氢研究中能质传输与转化视角下的挑战与突破；西安交通大学孙杰等综述了全光谱太阳能光热催化制氢领域的研究进展；北京理工大学李胜等开展了基于煤与生物质互补气化技术的新型制氢系统技术经济与环境评估研究；华北电力大学徐超等开展了太阳能驱动甲烷化学链重整制氢与甲醇合成的储能系统模拟分析研究；河北大学李亚光等开展了六元高熵二维材料的光热甲醇重整制氢的研究与应用。(2)储氢方向。西安交通大学方涛等综述了有机液态储氢载体技术研究进展；西安交通大学吴震等开展了高储氢密度金属氢化物蓄热性能预测的机器学习回归算法对比研究。(3)用氢方向。厦门大学赵英汝等开展了电氢耦合综合能源系统的韧性量化与多目标优化研究；广东工业大学何松等开展了氨驱动天然气电厂钙循环燃烧后捕集系统集成研究，以及耦合化学链制氢与钙循环过程实现水泥厂脱碳的系统性能评估研究；南京师范大学王瑞林等开展了全光谱太阳能与氢能利用协同的分布式综合能源集成与优化研究。值此专题刊出之际，我们谨代表编辑部对众多学者的踊跃投稿表示真诚的谢意，同时感谢同行专家们对每篇稿件耐心细致的审阅和提出的宝贵意见。希望本专题能加深读者对氢能前沿与挑战性技术的了解和关注，从而促进相关研究和技术的快速发展。

行业视野: 洁净煤技术
类别; 64个
关键词; 76位
专家; 13篇
论文; 2623IP
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全光谱太阳能光热催化制氢研究进展

作者(Author)：关健, 马荣, 李东辉, 严孝清, 魏进家, 孙杰

摘要：太阳能制氢是我国在“双碳”目标背景下大力开发和利用可再生能源的重要技术手段之一。其中,全光谱太阳能光热催化制氢作为一种新型绿色制氢技术,利用光催化和热催化的协同优势,可在相对温和的条件下高效驱动制氢反应,实现对全光谱太阳能的综合利用。目前,该技术已在多种制氢体系中均展现出了巨大的发展潜力。然而,不同制氢体系中的光热催化机理及其制氢效果存在较大差异,亟待进一步系统的梳理与整合。鉴于此,通过对近年来国内外相关研究的最新进展进行梳理,按照氢源特点进行分类综述(水体系、碳基燃料体系及氮基原料体系),并重点讨论了不同制氢体系下的光热催化机制、性能优势及技术特点。具体来说,光热催化水制氢体系可以分为淡水制氢和海水制氢。光热催化水分解的优势在于提高反应温度的同时,还能够通过催化剂独特的异质结结构或局部表面等离子共振效应来加快电荷载流子的迁移和分离,促进制氢反应的发生,提高全光谱太阳能利用率。光热催化碳基燃料制氢体系则细分为甲醇制氢、甲烷制氢以及其他碳基燃料制氢。该体系的光热催化技术特点在于降低了反应活化能、提高了中间产物选择性转化,防止了催化剂中毒或失活。此外,氮基原料体系主要包括氨分解制氢和尿素废水制氢。尿素废水制氢通过光热催化技术,利用废水中的水和尿素,实现了双氢源制取氢气的反应路径,同时还有利于解决废水处理的问题。在我国能源转型的趋势下,全光谱太阳能光热催化制氢以其氢气来源广泛,反应条件温和,产氢性能高的特点,有望成为一种重要的绿色制氢技术。

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2024年第12期

245

88
光伏驱动电解水制氢技术的研究进展与挑战

作者(Author)：陈新, 任李萍, 陈春迎, 王奇, 刘柯延, 范金鹏, 魏进家, 陈杰

摘要：光伏驱动电解水制氢技术是一种十分有前景的绿色氢能生产技术,利用光伏将太阳能转化为电能,进而驱动电解水制绿氢。这一技术相较于其他类型的制氢技术,不仅具有能耗低、无污染、结构简单等显著优势,而且能够将不稳定的太阳能转化为稳定的氢能,为电力系统提供可靠的储能和调峰手段,对于构建可持续能源体系具有重要意义。概述了光伏驱动电解水制氢技术的研究进展,分析了不同电解槽的选型准则,总结了提高电解水催化剂性能的方法,并探讨光伏电解系统集成放大的优化策略。首先,基于能源危机的背景,指出光伏驱动电解水制氢对于构建可持续能源体系的重要性。接着,介绍了光伏电解水的基本概念,分析了不同电解水技术的原理及优缺点,指出提升电解效率的关键因素。随后,探讨了电解水催化剂的设计与优化方法,特别是在电子结构调控、界面工程和表面工程等方面的创新方法,总结了提高电解水制氢效率的有效策略。进一步,评估了光伏电解系统的耦合构型对效率的影响,讨论了系统集成放大的技术难题。最后,对光伏驱动电解水制氢技术面对的挑战以及未来研究方向进行了展望。对光伏驱动电解制氢技术研究进展进行了详尽的概述,以期为该技术的进一步发展和应用推广提供借鉴。

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洁净煤技术

2024年第12期

215

72
光热协同催化分解水制氢研究：能质传输与转化视角下的挑战与突破

作者(Author)：剡雪丽, 王歆诒, 曾梓玉, 张诗悦, 张永旺, 赵鑫源, 赵仕东, 王标, 王树建, 刘茂昌

摘要：太阳能光催化分解水制氢以其系统简单、成本低廉的优势,成为解决当前能源与环境问题、实现“双碳”目标的理想途径之一。然而,传统研究多聚焦于光催化材料本身,对反应界面(涉及气、液、固三相)能量和物质传输转换机制缺乏系统的跨尺度考量,致使整体光−氢转化效率长期处于较低水平。研究从能质传输与转化的角度出发,概述了光催化分解水制氢的基本原理和过程,并深入探讨了非稳态光吸收吸收与能量转化、缓慢的传质过程(特别是反应界面气泡成核、生长和脱附过程)以及极端地区水资源匮乏等瓶颈问题。针对这些挑战,提出了若干突破途径。首先,重点介绍了一种太阳能聚光−光热耦合反应系统,通过聚光技术实现光热协同,显著提高了太阳能的宽光谱利用率以及载流子的反应势能和转化效率。其次,详细论述了基于光热基底构建全新的液−固/气−固解耦型反应体系的理论和方法,有效克服三相体系中因气泡生成造成的传质限制。再次,阐述了利用太阳能分频技术和气固界面构建,实现空气集水与光催化分解水耦合制氢的策略,以应对水资源受限问题。最后,从工程化角度强调了系统设计及其规模示范的深远影响和重要意义,并对这一领域未来的研究方向提出了展望。

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2024年第12期

261

77
六元高熵二维材料的光热甲醇重整制氢的研究与应用

作者(Author)：黄森焱, 刘鑫, 雷如楠, 杜凯, 于晨阳, 李亚光

摘要：为了提高光热甲醇重整制氢反应中铜基催化剂的稳定性与效率,提出了一种基于高熵策略的催化剂设计方法。通过聚乙烯吡咯烷酮(PVP)辅助冻干法,成功制备了六元高熵二维Cu₂Zn₁Al₀.₅Ce₅Zr₀.₅In₀.₅Ox催化剂。该催化剂通过多种表征手段(包括X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)及氮气吸附脱附分析等)验证了其晶体结构的单一性以及表面纳米片状特征,同时显示出优异的抗烧结和抗氧化性能。在热催化反应中,当反应温度达到450°C时,氢气生成速率达到1887.94mmol/(g·h)。在新型光热转换装置的配合下,该催化剂在2kW/m²强度的太阳光下展现出显著的光热催化活性,其甲醇水蒸气重整产氢速率为1402.12mmol/(g·h),且在72h内保持稳定,表现出卓越的长期稳定性。该催化剂的高性能主要源于其高熵特性带来的热力学稳定性及独特的多孔结构,这些特点显著增加了催化活性位点的数量,同时增强了对高温环境的适应能力。与传统催化剂相比,六元高熵Cu₂Zn₁Al₀.₅Ce₅Zr₀.₅In₀.₅Ox在光热甲醇重整制氢反应中的催化性能和稳定性均得到了显著提升,克服了室外光热系统因温度波动导致的催化剂烧结问题。不仅为光热催化领域提供了一种新型高效催化剂设计策略,还进一步推动了高熵材料在复杂反应条件下的实际应用。通过将高熵材料与光热催化技术相结合,为实现氢能源的可持续高效生产提供了理论支持与实践依据,展现了该催化剂在工业化制氢中的广阔应用前景。

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2024年第12期

176

71
光热驱动甲烷在Ni@SrTiO3催化剂上高效转化与积碳抑制策略

作者(Author)：马旭, 杨卫卫

摘要：深入探索了甲烷与二氧化碳在光热异质催化剂体系中的高效反应特性,旨在为甲烷干重整反应提供一种更具潜力的催化解决方案。为达成此目标,选取了Ni@CaAlxOy、Ni@SrTiO3和Ni@Sr0.5Ba0.5TiO3三种催化剂,并在400~800℃的宽泛温度范围内对其性能进行了全面评估。实验结果显示,Ni@SrTiO3催化剂展现出了最高的稳定性和催化活性,尤其在800℃时,其甲烷转化率峰值高达89.12%,显著优于其他2种催化剂。这一表现不仅表现了Ni@SrTiO3在甲烷干重整反应中的应用潜力,也凸显了光热驱动技术在提升催化性能方面的显著优势。本研究还综合运用了氢气程序升温还原(H2-TPR)、二氧化碳程序升温脱附(CO2-TPD)及电子顺磁共振(EPR)等先进表征技术,深入揭示了Ni@SrTiO3催化剂良好性能的内在机制。通过上述表征技术发现,Ni@SrTiO3的优异性能主要源于其独特的表面缺陷结构、丰富的碱性中心以及高浓度的氧空位。这些特性不仅促进了反应物的吸附和活化,还优化了氧迁移机制,从而提升了催化效率。此外,Ni@SrTiO3还表现出了强大的抗积碳性能,这得益于其优化的三元催化界面,有效抑制了甲烷干重整副反应,进一步保障了催化剂的稳定性和耐用性。这些发现不仅为甲烷干重整反应提供了一种更具潜力的催化解决方案,也为催化剂的设计和优化提供了重要的理论指导和实践依据。未来研究将进一步优化Ni@SrTiO3催化剂的组成和结构,以期实现更高效、更可持续的甲烷转化与氢气制备过程。

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洁净煤技术

2024年第12期

167

68
太阳能驱动甲烷化学链重整制氢与甲醇合成的储能系统模拟

作者(Author)：王艳娟, 龙云飞, 辛宇, 蒋琼琼, 徐超, 曲万军, 洪慧

摘要：为了实现氢能的安全储存与运输,将氢气转化为液态甲醇成为氢气存储的重要方式。氢气与一氧化碳(CO)通过费托合成制取甲醇由于其优异性能而被广泛应用。传统制取氢气与CO的方法主要是甲烷湿重整和甲烷干重整,然而该方法需在高温(≥850℃)下进行,且能量消耗较大,通常依赖甲烷燃烧放热以满足反应条件。提出了一种太阳能驱动甲烷化学链重整制氢与甲醇合成的储能系统,选用氧化镍作为载氧体,反应温度可降至600℃,系统以太阳热能为驱动力,避免了燃烧甲烷,降低了能耗并减少了环境负担。同时,依据“温度对口、梯级利用”原则将甲烷化学链重整产生的高温烟气与燃气蒸汽联合循环耦合进行发电。能量、㶲和灵敏度分析结果表明:燃料反应器与空气反应器温度分别为600℃和1200℃、氧化镍与甲烷物质的量比为0.8、水与甲烷物质的量比为1.9时,系统的能量利用效率为62.82%,㶲效率为64.75%,甲醇产率可达69.73%。在此条件下,甲烷转化率为80.58%,相比传统甲烷重整法降低了250℃,且甲烷转化率显著提高。

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2024年第12期

176

76
基于煤与生物质互补气化技术的新型制氢系统的技术经济与环境评估

作者(Author)：张钟, 李胜

摘要：气化过程是煤基制氢系统的核心过程之一,通过立式管式炉研究了煤与生物质的共热解行为,并提出了一种基于煤与生物质互补气化技术的新型制氢系统。煤与生物质共热解的协同作用促进了热解气生成,提高了气化效率。燃烧能量品位较低的生物质为气化反应供热,提高了气化和燃烧反应间的品位匹配程度。此外,互补气化技术使用碳中性生物质燃料能够大幅降低碳排放。使用AspenPlus软件对新型和参考系统进行仿真,从热力学、碳排放和经济可行性3个方面评估新型和参考系统的性能。结果表明:生物质掺混比为0.25时,热解过程协同作用最显著,新型系统能量和㶲效率分别为76.82%和64.56%,均高于参考系统。新型系统的碳排放量为1.12t/h,相对传统水煤浆制氢系统能够大幅降低碳排放。新型系统在全生命周期内的动态回收周期、净现值和制氢成本分别为3.41a、269535.58k$和1.37$/kg,具有良好经济效益和应用前景。

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洁净煤技术

2024年第12期

257

49
有机液态储氢技术研究进展

作者(Author)：路书涵, 龚翔, 王斌, 杨福胜, 方涛

摘要：在当前全球能源结构转型和实现碳中和目标的背景下,有效的能源储存技术成为关键。特别是对于太阳能、风能等清洁能源,储能技术的应用是实现其高效利用和稳定供应的核心。氢气作为一种具有高能量密度和清洁可再生特性的能源载体,受到了广泛关注。然而,氢气的稳定性差、易泄漏和燃爆风险等问题,限制了其在能源储存和运输领域的广泛应用。目前常用的储氢技术包括高压气态储氢、液态储氢和固态储氢等。其中,有机液态储氢(LiquidOrganicHydrogenCarriers,LOHC)技术因其能够长期、大规模且稳定地储存氢气,同时有效避免氢气扩散损失,受到了特别的关注。此外,LOHC技术还具有储存条件温和、可以利用现有基础设施进行运输等优点,使其在氢能储存和运输领域具有巨大的应用潜力。基于此,从有机液态储氢载体开发、加脱氢催化剂设计及产业化研究3个维度,对LOHC技术进行了系统综述,阐述了该技术的最新研究动态。首先,针对有机液态储氢载体的研究进展,详细介绍了常见储氢载体的物理化学性质、加脱氢反应需求及其优势与局限性,并对近年来新提出的储氢体系进行了探讨,包括酰胺类和酯类储氢系统。其次,关于加脱氢催化剂的研究进展,探讨了这一领域新的研究方向。针对加脱氢反应催化剂的设计与开发,研究提出了更加多样化的新思路,例如利用粗氢、湿氢等作为氢源的加氢反应催化剂的设计;提出优化使用的储氢载体和实施反应级联等方法,以解决脱氢反应条件严苛及放氢速率缓慢的问题。再次,对产业化方面的研究进行了综述,包括经济性分析、反应器设计和工艺优化等。经济性分析表明:对于高氢需求和长距离运输,LOHC技术相较于目前最常用的高压气态储氢具有显著的经济优势。在工艺优化方面,研究提出了微波辐射、混合储氢载体等方法,以增强LOHC加脱氢反应中的传热传质效果。最后,对各研究方向的进展进行了总结,并对LOHC技术未来的发展与应用进行展望,以期通过全面讨论推动有机液体储氢技术的发展。

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2024年第12期

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