葡萄糖制氢的先进技术与材料：当前策略综述

《International Journal of Hydrogen Energy》：Advanced technologies and materials for hydrogen production from glucose: A review of current strategies

　　

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  APR在500 K和50 bar条件下可将10 wt%葡萄糖转化为H₂，选择性达62.4%。
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  SCWG在高于773 K和22.1 MPa的条件下运行，无需对生物质进行干燥处理。
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  CdS/MoS₂在可见光下可实现55.0 mmol H₂ g^?1 h^?1的产率。
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  NiFeOx-NF阳极可产率达83.3%的葡萄糖二酸，法拉第效率为87%。
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  Thermotoga neopolitana可达3.9 mol H₂/mol葡萄糖，为理论最大值的98%。

引言

全球能源系统仍然高度依赖化石资源，其燃烧导致温室气体累积、全球变暖和酸雨，对生态系统和人类健康构成严重威胁[[1], [2], [3], [4]]。快速城市化加剧了这些环境压力，使交通运输、电力和供暖需求不断攀升，进一步加深了对不可再生能源载体的依赖[5,6]。在此背景下，氢能作为一种多用途清洁能源载体已获得广泛认可。凭借高比能密度（142.3 kJ/g）以及水作为唯一燃烧产物，氢能为发电、工业和建筑等多个领域的脱碳提供了可行途径[[7], [8], [9], [10]]。其工业应用意义已得到充分确立：氢是加氢裂化、加氢脱硫、氨合成、甲醇和oxo-醇生产不可或缺的原料，同时也是铁矿石直接还原和玻璃制造等新兴大规模应用的关键材料[[11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20]]。

然而，氢能的环境效益高度取决于其生产路线。目前全球超过95%的氢来自化石天然气和煤炭，产生所谓的灰氢或黑氢，伴随大量CO₂排放[21,22]。蓝色氢通过整合碳捕获与封存（CCS）技术，提供了一种过渡性解决方案，而绿色氢——由可再生能源电力驱动的水电解制氢——则代表了终极低碳目标[23,24]。尽管如此，低排放氢占总产量的比例仍不足1%，但其份额正在快速增长[25,26]。制氢的主要途径如图1所示。全球氢能市场反映了这一发展势头，2024年市场规模超过2045亿美元，预计到2029年将超过3160亿美元，这主要得益于可再生能源电力成本下降、电解技术进展以及全球各地的支持性政策[[27], [28], [29]]。到2050年，氢能可满足全球能源需求的最高24%，累计投资将达到万亿美元级别[30,31]。

鉴于规模化可持续制氢的紧迫性，生物基质原料引起了广泛关注。其中，葡萄糖——一种来源于农业废弃物的丰富且易于获取的平台分子——脱颖而出，成为制氢的有前景的底物[32,33]。基于葡萄糖的途径为废物增值和利用提供了独特机遇，同时可产生低碳氢，这代表了一个连接废物管理和清洁能源生产的新兴且具有挑战性的战略方向。

章节摘要

综述方法论与范围

本综述对葡萄糖制氢的当前状态进行了批判性和全面的分析，葡萄糖是源自可再生生物质的关键平台分子。鉴于该领域的广泛性和跨学科性质，我们采用了叙述性综述方法，以便对不同技术平台（热化学、光催化、电化学和生物学）的文献进行灵活且批判性的分析。本综述编制所采用的方法详述如下

性能指标与系统边界

本文综述的路线使用了一系列指标来报告性能，包括H₂选择性、H₂产率、气相H₂纯度、气化效率、法拉第效率、每摩尔葡萄糖产生的摩尔H₂、mmol L^?1和mmol g^?1 h^?1。这些指标基于不同的分母和系统边界定义，且不可互换。例如，超临界水气化中报告的氢气气化效率超过100%，反映的氢部分来源于水

生物质水相重整（APR）

从生物质中获取氢气的方式之一是生物质水相重整。该方法通过将含氧化合物转化来获得氢气。其工作原理是生物质分子溶解于水中，然后在低于543 K的温度和最高50 bar的压力下与水反应。生物质衍生的含氧烃若C/O比为1:1（如甲醇）且可溶于水（如乙醇，

葡萄糖蒸汽重整

生物质衍生物如葡萄糖的水热重整是可持续制氢为数不多的选项之一。文献[41]中对包括葡萄糖在内的多种生物油衍生模型组分的蒸汽重整进行了比较。使用典型的Ni/Al₂O₃重整催化剂进行原料蒸汽重整，温度范围在573?1073 K之间，蒸汽碳比（S/C）为6，液时空速（LHSV）为10.1 h^?1

葡萄糖气化

许多研究者使用葡萄糖作为代表生物质主要成分的模型化合物，研究在近临界和超临界水中进行气化以产生氢气的过程。超临界水气化（SCWG）中，超临界水不仅是有机材料的溶剂，也是反应物，是有机资源生产燃料气的应用之一。超临界水中生物质气化有两种方法。第一种是

光催化制氢

早在1980年代初，Kawai和Sakata便开始了利用RuO₂/TiO₂/Pt光催化剂从生物质组分及其加工产品（纤维素、淀粉、糖类）在水环境中进行光催化制H₂的研究[57]。目前，葡萄糖光精炼研究主要沿两个方向推进[58,59]。第一条途径是非选择性反应过程，在此过程中葡萄糖仅作为光催化制氢的牺牲剂。第二条

葡萄糖电解

利用具有高活性和选择性的NiFeO_x和NiFeN_x催化剂的电催化方法，可以从葡萄糖中生产生物氢，其能耗低于水电解产生氧气和氢气[32]。该方法产氢的优势在于，电解过程沿葡萄糖先氧化为葡萄糖酸（GNA）再氧化为葡萄糖二酸（GRA）的路径进行，同时释放高纯度

暗发酵

暗发酵（无光照）也被称为厌氧过程，因为氢气由厌氧微生物在暗条件下及298?353 K的温度范围内产生[89]。暗发酵过程如图8所示。大量异养细菌可以产生氢气。这些包括专性厌氧菌（如Clostridia、瘤胃细菌、嗜热菌和产甲烷菌）、兼性厌氧菌（如Enterobacter、Escherichia coli和Citrobacter）以及

材料、机理与实际局限性的关键比较

除了表观活性数据之外，上述综述材料的性能由明确的构效关系所决定，这些关系决定了选择性、副产物分布和失活行为，因此值得进行明确的比较，而非简单地罗列最佳数值。在APR和蒸汽重整中，金属种类和载体酸性共同控制H₂/烷烃分支比：Pt、Pd和Ni?Sn合金有利于C?C键断裂和

本综述的局限性及未来评估需求

本综述的一个重大局限性——实际上也是其基础原始文献的局限性——是缺乏全面的系统级可持续性分析。本文综述的实验研究通常报告的是实验室规模的指标，如H₂产率、选择性、转化率、稳定性（小时至天数）和法拉第效率。然而，它们未包含以下对流程级可持续性评估至关重要的因素。

• a)
  葡萄糖生产和

结论

本综述表明，葡萄糖制氢转化并非由单一具有普适优势的技术所代表，而是由一组互补的热化学、光催化、电化学和生物途径构成，其性能强烈依赖于原料组成、反应器配置、操作条件、催化剂性质以及选定的产品目标。由于所报告的氢气指标基于不同的分母和系统边界，

CRediT作者贡献声明

Mariya Petrovna Shcherbakova-Sandu：撰写——综述与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，监督，项目管理，方法论，调查，资金获取，形式分析，数据管理，概念化。Eugene Pavlovich Meshcheryakov：撰写——综述与编辑，撰写——初稿，验证，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。Abdullah Maharram Mohammad Al-Shibah：撰写——初稿，

数据可用性

数据来源于公有领域资源。

资助

本研究由俄罗斯联邦科学与高等教育部资助，项目编号FSWM-2025-0013。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的可能影响本文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

Mariya Petrovna Shcherbakova-Sandu|Eugene Pavlovich Meshcheryakov|Abdullah Maharram Mohammad Al-Shibah|Semyon Andreevich Gulevich