综述：利用双功能材料通过吸附增强型蒸汽重整生物质原料来生产富氢合成气：一项关键综述

《Journal of Energy Chemistry》：Hydrogen-rich syngas production via sorption-enhanced steam reforming of biomass feedstocks using bifunctional materials: a critical review

生物质制氢中，SESR技术通过吸附剂选择性捕获CO?推动反应平衡向产氢方向移动，有效提升氢气产率与纯度，降低能耗和碳排放。研究对比了CaO、碱金属陶瓷、层状双氢氧化物等吸附剂在高温下的CO?吸附容量与循环稳定性，发现复合催化吸附材料可优化反应动力学与传质效率。现有研究多聚焦模型化合物，缺乏对真实生物质原料的综合分析，未来需重点开发多功能复合吸附剂及SESR与其他工艺的耦合应用，以突破技术瓶颈。

　　氢气作为一种清洁、多功能且能量密度高的燃料，在全球能源转型中扮演着至关重要的角色。随着气候变化问题日益严峻，减少温室气体排放和确保能源安全已成为国际社会的共同目标。在此背景下，氢气的生产技术不断受到关注，尤其是在利用可再生能源和减少碳排放方面。传统的氢气生产方法，如基于化石燃料的蒸汽重整和水电解，虽然在一定程度上满足了当前的需求，但它们在环境和经济层面都面临严峻挑战。例如，化石燃料的使用会带来大量的二氧化碳排放，而水电解则需要大量的电能，这在某些地区可能并不经济可行。

因此，寻找更加环保、经济且高效的氢气生产方法成为科研界的重要任务。在这一过程中，生物质作为一类丰富的可再生资源，因其来源广泛、储量充足而备受瞩目。生物质包括农业废弃物、林业废弃物、城市固体废弃物、畜禽粪便和藻类等多种有机材料，这些材料可以通过发酵、气化、热解和重整等多种方式进行转化，以获得氢气。其中，蒸汽重整工艺因其能够将生物质衍生的合成气（主要成分包括一氧化碳、二氧化碳和氢气）转化为高纯度氢气而成为研究的重点。

为了进一步提升氢气生产的效率和纯度，研究人员提出了“吸附增强蒸汽重整”（Sorption-Enhanced Steam Reforming, SESR）技术。该技术巧妙地结合了化学平衡和吸附原理，通过引入固体碱性吸附剂（如氧化钙、碱金属陶瓷和氢氧化镁类材料）在反应过程中现场吸附产生的二氧化碳，从而打破传统蒸汽重整反应中化学平衡的限制。这种方法不仅可以提高氢气的产量和纯度，还能显著降低对后续分离工艺的依赖，进而减少整体的成本和能耗。

SESR技术在生物质氢气生产领域展现出诸多显著优势。首先，它能够在反应过程中实现二氧化碳的现场吸附，这一过程不仅促进了氢气的生成，还减少了对下游分离设备的需求，从而降低整体的生产成本。其次，通过使用吸附剂，可以有效地捕获和储存二氧化碳，这对于减少温室气体排放具有重要意义。最后，SESR技术具有高度的可定制性，可以根据不同的生物质原料进行优化，以更好地满足多样化的应用需求。例如，它能够适用于通过生物质发酵或热化学转化得到的乙醇、甘油和乙酸等特定原料。

然而，尽管SESR技术在氢气生产方面表现出色，它仍然面临着一些关键性的材料层面挑战。其中，吸附剂的性能和稳定性是影响该技术广泛应用的重要因素。目前，许多研究已经表明，开发兼具高效二氧化碳吸附能力和催化性能的复合材料对于推动SESR技术在生物质氢气生产领域的深入发展至关重要。与简单的物理混合方法相比，具有吸附和催化双重功能的复合材料在SESR技术的应用中展现出更强的适应性和协同效应。这种复合材料内部的吸附剂和催化剂之间不仅具有更强的二氧化碳吸附能力，还表现出更优异的催化性能，以及更高效的物质传输效果。这些特性使得复合材料能够在整个氢气生产过程中发挥更加理想的整体性能。

值得注意的是，与其他文献主要关注模型化合物或对吸附增强重整（Sorption-Enhanced Reforming, SER）进行一般性讨论不同，本文不仅提供了通过模型化合物反应对生物质原料氢气生产的理论支持，还特别关注了材料在生物质原料应用场景中的表现，并进一步探讨了具有广泛应用前景的吸附-催化复合材料。通过全面总结这些材料在SESR过程中的研究进展，本文旨在为生物质氢气生产技术的未来发展方向提供坚实的理论支持和有价值的科研思路。

在实际应用中，生物质气化是实现氢气生产的重要步骤之一。生物质气化是指在特定的热力学条件下，利用气化剂（如空气、氧气、二氧化碳、水蒸气等）对生物质聚合物进行热解、氧化、还原和重整，最终生成含有一氧化碳、氢气、甲烷等成分的可燃气体。气化剂的种类对气化过程的效率和产物组成有着重要影响。例如，使用水蒸气作为气化剂可以促进碳的气化反应，提高氢气的产量；而使用二氧化碳作为气化剂则可以在一定程度上减少碳排放，同时为吸附增强过程提供更多的二氧化碳来源。

在SESR技术中，碱金属陶瓷吸附剂因其在高温下的优异性能而受到特别关注。这些吸附剂具有较高的二氧化碳捕获能力，能够在500℃以上的高温条件下高效吸附二氧化碳。此外，它们还表现出良好的多循环稳定性，能够在多次吸附-解吸循环中保持稳定的性能。这种广泛的运行温度范围使得碱金属陶瓷吸附剂能够适应多种反应条件，从而拓宽了SESR技术的应用范围。

另一方面，氢氧化镁类吸附剂（Hydrotalcite, HTlc）也展现出重要的应用潜力。HTlc是一种阴离子粘土，其晶体结构由正电荷的金属氢氧化物层、负电荷的层间阴离子（如碳酸根离子）和水分子组成。这种独特的结构赋予了HTlc材料较强的二氧化碳吸附能力，并且能够在较宽的温度范围内进行吸附和解吸。HTlc材料的这种特性使其成为SESR技术中一种理想的吸附剂选择，尤其是在高温环境下，能够有效提高氢气的产量和纯度。

此外，SESR技术还可以与其他过程进行耦合，以进一步提升其效率和经济性。例如，结合化学循环重整（Chemical Looping Reforming, CLR）技术，可以实现更加高效的氢气生产。这种耦合技术被称为“吸附增强化学循环重整”（Sorption-Enhanced Chemical Looping Reforming, SE-CLR）。SE-CLR技术在氢气生产和二氧化碳捕获方面均表现出显著的优势，它不仅能够提高氢气的产量和纯度，还能有效减少碳排放。通过在反应过程中现场吸附二氧化碳，SE-CLR技术能够打破传统化学循环重整过程中的化学平衡限制，从而实现更高的反应效率。

在实际应用中，SESR技术的材料性能是决定其成败的关键因素。因此，研究人员不断探索和开发新的吸附剂和催化剂材料，以提高其在高温条件下的稳定性和吸附能力。例如，通过掺杂或改性，可以显著增强吸附剂的循环稳定性，使其能够在多次吸附-解吸循环中保持较高的吸附效率。同时，催化剂的优化也是提升SESR技术性能的重要方向，通过选择合适的催化剂，可以提高反应速率，降低能耗，并减少副产物的生成。

在未来的研发方向中，SESR技术的进一步发展需要在材料设计和性能优化方面取得突破。这包括开发新型的吸附-催化复合材料，提高其在高温条件下的稳定性，以及探索更高效的吸附剂和催化剂组合。此外，还需要对SESR技术在不同生物质原料中的应用情况进行深入研究，以确定其在实际生产中的适用性和经济性。通过这些努力，SESR技术有望在生物质氢气生产领域发挥更大的作用，为实现可持续能源体系提供有力支持。

总的来说，SESR技术在生物质氢气生产中的应用前景广阔，它不仅能够提高氢气的产量和纯度，还能有效减少碳排放，降低生产成本和能耗。然而，要实现其广泛应用，还需要在材料性能、反应条件优化以及系统集成等方面进行持续的研究和改进。随着相关技术的不断进步，SESR技术有望成为未来生物质氢气生产的重要手段，为全球能源转型和可持续发展做出更大的贡献。