综述：废料制氢技术进展：催化、热化学和生物化学转化途径在循环氢经济中的应用

这篇综述系统评述了废料制氢（WtH2）技术的三大路径——催化（光/电催化、等离子体辅助）、热化学（气化、热解）和生物化学（暗发酵DF、微生物电解池MECs），提出混合系统可实现1.8-2.5 USD/kg H2的低成本与<2 kg CO2/kg H2的低碳排放，为循环氢经济提供关键技术支撑。

　　

废料制氢技术：催化、热化学与生物化学的协同革命

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   引言

   全球每年产生超过34亿吨废弃物，而传统制氢工艺（如SMR）每生产1kg氢气伴随8-10kg CO₂排放。废料制氢（Waste-to-Hydrogen, WtH₂）技术通过将城市固废（MSW）、塑料、农业残留物等转化为高纯度氢气，实现"减废"与"降碳"双重目标。本文剖析三大技术路径的最新进展，揭示混合系统的突破性潜力。

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   催化转化路径

   2.1 光催化重整技术

   采用TiO₂基复合材料处理塑料浸出液和生物质水解物，在可见光下实现100-250 mL H₂ g^-1 h^-1的产率。但量子效率低（25-40%）和催化剂失活问题亟待解决，AI驱动的催化剂设计有望优化能带结构。

2.2 电催化重整技术

镍基合金电极处理有机废水时法拉第效率达80-90%，产氢1-2.5 mol H₂/mol底物。但电极中毒（Cl^-、S^2-）限制其长期稳定性，新型过渡金属磷化物涂层正在测试中。

2.3 等离子体-催化协同系统

在1500-3000℃等离子体环境中，塑料（LDPE）裂解效率提升35-60%，配合Ru/CeO₂催化剂可实现0.6-0.8 mol H₂/kWh的能耗表现。日本5-10MW级示范项目已验证其处理混合废物的优势。

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   热化学转化路径

   3.1 气化技术

   流化床气化处理MSW时，合成气含25-45 vol% H₂，碳转化率50-70%。添加橄榄石-镍复合催化剂可减少焦油生成，但3-5 kg CO₂/kg H₂的排放仍需CCS技术配套。

3.2 等离子体气化

日本Chiba工厂数据显示，该技术使H₂浓度提升至55 vol%，但70kWh/kg H₂的高能耗制约经济性，废热回收系统可降低15%能耗。

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   生物化学路径

   4.1 暗发酵（DF）

   梭菌（Clostridium butyricum）代谢食物废料产氢1.5-3.5 mol H₂/mol葡萄糖，但挥发性脂肪酸（VFAs）积累会抑制微生物活性。德国500L级中试采用pH缓冲策略维持系统稳定。

4.2 微生物电解池（MECs）

Geobacter菌群耦合电解系统处理发酵残液时，产氢效率达3-4 mol H₂/mol乙酸，能量回收率60-80%。质子交换膜污染仍是规模化瓶颈。

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   混合系统突破

   热化学-生物化学联用使产氢量提升20-40%，典型案例包括：

   • 气化-MECs组合：增加5-10 kg H₂/吨废料

   • 等离子体-催化重整：塑料转化率达80 kg H₂/吨

   韩国示范项目显示，此类系统成本可降至1.8 USD/kg H₂，生命周期排放<2 kg CO₂/kg H₂。

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   技术经济性比较

   催化路径成本（2.0-3.0 USD/kg H₂）接近传统SMR，而混合系统通过联产VFAs、生物炭等副产品提升收益。LCA分析表明，光电催化耦合可再生能源时，碳排放可趋近于零。

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   未来展望

   短期（2025-2030）需开发抗硫氯催化剂，中期（2030-2035）应建设20MW级混合系统示范厂，长期需政策端将WtH₂纳入低碳氢认证体系。数字孪生技术和AI优化将成为突破50%能量效率的关键。

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   结论

   废料制氢技术已形成完整的技术矩阵：热化学路径适合集中处理，催化系统优势在于分布式应用，而混合方案代表未来方向。随着催化剂革新与政策支持，WtH₂有望贡献全球15%的低碳氢需求。