综述：生物质与水基制氢及下游回收路径的新兴方法：近期挑战与前景评述

本综述系统评述了以生物质和水为原料的清洁氢能（H2）生产技术，涵盖热化学转化、电解水（ALK、PEM、SOEC）、生物制氢（暗发酵、光发酵、生物光解）及新兴光催化系统，并深入分析下游纯化（如MOF-PSA、电化学氢泵）与存储技术（金属氢化物），为构建可持续氢经济提供战略建议。

　　

Abstract

向低碳社会的转型可通过利用生物质和水等可持续资源生产清洁氢燃料来加速，这为有效减少温室气体排放提供了可持续能源。本综述对氢生产技术进行了全面分析，包括化石燃料基工艺（如热化学转化和蒸汽甲烷重整）、电解基路线（碱性、聚合物电解质膜和固体氧化物水电解）以及生物方法（暗发酵、光发酵和生物光解），同时涵盖了新兴的光催化和光化学系统。对每条路径，我们批判性评估了其技术成熟度、部署状况以及提高清洁能源在全球可再生能源供应链中份额的潜力。文稿还强调了来自生物和非生物来源的众多上游制氢的研究空白、前景与挑战，特别聚焦于提高效率、降低成本和改善环境性能。利用生物质和水作为原料的光化学、电化学和光催化制氢系统已引起显著关注。

下游氢气富集和存储的技术进步受到严格评估，包括商业应用中的机遇、当前挑战和障碍。基于金属有机框架的变压吸附、电化学氢泵和金属氢化物因其实现高纯度氢气纯化（约99.99%）和提供可扩展存储解决方案的能力而被分析。然而，由于高昂的生产成本（4.11–7.45美元/公斤 H₂），生物质制氢的经济和商业可行性仍然是一个重大挑战。这可以通过适当的生物质选择、高选择性催化剂的开发、不同工艺的整合以及应用人工智能/机器学习驱动模型来预测结果以实现更好的工业自动化来缓解。本研究为选择高效先进的氢气生成、纯化和存储技术提供了有见地的信息。我们最后提出了关于技术发展、规模化效率和政策框架的战略建议，以加速向可持续氢经济的过渡。

Graphical abstract

（图示内容描述了从生物质和水原料通过上游制氢技术，经过下游纯化与存储，最终集成到氢经济中的流程路径。）

上游制氢技术：多元化路径与挑战

氢气的生产途径主要分为化石燃料基、电解基和生物基三大类。化石燃料基工艺，如蒸汽甲烷重整（SMR）和热化学转化，技术成熟度高且已广泛部署，但其碳足迹较高，与低碳目标存在固有矛盾。电解水技术，包括碱性电解槽（ALK）、聚合物电解质膜电解槽（PEM）和固体氧化物电解槽（SOEC），能利用可再生能源电力生产高纯度氢气，被视作未来清洁氢能的核心。其中，SOEC因高温下的高效率而颇具前景，但其材料耐久性和高运营温度仍是商业化障碍。

生物制氢方法为可持续发展提供了独特路径。暗发酵（Dark Fermentation）利用微生物在无光条件下分解有机质产氢，而光发酵（Photofermentation）和生物光解（Biophotolysis）则依赖光能驱动微生物或藻类分解水或有机物释放氢气。这些技术能以废弃物或生物质为原料，实现资源循环利用，但其产氢速率低、系统稳定性差以及底物转化效率有限等问题制约了其大规模应用。

新兴的光催化（Photocatalysis）和光化学（Photochemical）系统直接利用太阳能驱动化学反应分解水制氢，是最具潜力的长远方向之一。其核心挑战在于开发高效、稳定且低成本的光催化剂材料，以提高太阳光转化效率和系统的长期运行寿命。

下游纯化与存储：技术瓶颈与创新方案

高纯度氢气（通常要求达到99.99%）的获取和安全高效存储是实现氢经济的关键下游环节。传统的变压吸附（Pressure Swing Adsorption, PSA）技术已广泛应用于氢气纯化，而基于金属有机框架（Metal-Organic Frameworks, MOFs）的新型吸附剂材料因其高比表面积和可调控的孔结构，展现了更高的选择性和吸附容量，为MOF-PSA技术带来了革新潜力。

电化学氢泵（Electrochemical Hydrogen Pump）是另一种纯化技术，它利用电势差选择性分离和压缩氢气，尤其适用于从混合气中提取高纯氢，其能效和适应性是当前研究焦点。

氢气存储是连接生产与应用的桥梁。高压气态存储是当前最成熟的方式，但面临能耗高和体积储氢密度低的限制。金属氢化物（Metal Hydrides）存储利用金属与氢的可逆化学反应，能在较低压力下实现高密度储氢，安全性好，但其材料重量、吸放氢动力学以及循环稳定性仍需优化。液态氢和有机液体储氢等替代方案也因各自的技术经济性挑战而处于不同开发阶段。

经济性与规模化：跨越商业化的鸿沟

目前，生物质制氢的成本估计在4.11至7.45美元/公斤 H₂之间，显著高于基于化石燃料且配备碳捕获与封存（CCS）的灰氢或蓝氢成本，这使得其经济竞争力不足。成本高的主要原因包括原料收集与预处理成本高、催化剂昂贵、转化工艺效率低以及系统规模较小。

降低成本的策略是多方面的。原料方面，选择低成本、高含水率或废弃生物质可有效降低原料成本。催化剂的创新至关重要，开发高活性、高选择性和长寿命的催化剂（如用于重整反应的非贵金属催化剂或用于电解的非铂族金属催化剂）能显著提高反应效率并减少催化剂消耗。

工艺整合是另一个重要方向，例如将生物制氢过程中的暗发酵与光发酵耦合，或将制氢与下游化工生产相结合，以提高整体能效和经济效益。此外，应用人工智能（AI）和机器学习（ML）模型优化工艺参数、预测系统性能并进行故障诊断，为实现智能化和自动化生产提供了强大工具，有助于降低运营成本并提高稳定性。

结论与前瞻：迈向可持续氢经济的路线图

构建可持续的氢经济需要技术创新、政策支持和市场驱动的协同努力。在技术层面，未来的研究应继续聚焦于提高所有制氢路径的转化效率、降低催化剂和材料成本、增强系统集成度以及开发智能运维策略。

政策框架应鼓励绿色氢的生产与消费，例如通过碳定价、补贴、研发资助以及制定明确的行业标准和法规，为投资者创造稳定可预期的市场环境。同时，加强基础设施建设，如输氢管道和加氢站，对于打通氢能产业链至关重要。

最终，通过跨学科合作和持续创新，以生物质和水为原料的清洁氢能有望成为全球能源结构转型的核心支柱，为应对气候变化和实现可持续发展目标做出关键贡献。