新型低温制氢方法：利用工业废热更便宜地产氢

伯明翰大学发布的一项最新研究展示了一种全新的低温制氢路线，可用于集中式大规模制氢，也适合利用大型工业设施的废热在本地就地制氢。

氢是宇宙中含量最丰富的元素，被视为清洁能源载体。与会排放二氧化碳和其他污染物的化石燃料不同，氢气燃烧只产生热量和水，还可为燃料电池提供电力。尽管氢气在使用阶段几乎不产生碳排放，但目前约95%的氢气仍依赖化石燃料制取。

热化学水分解通过催化剂将水分解为氢气和氧气，被认为是极具潜力的制氢技术之一。然而，现有催化剂通常需要在约700–1000℃下才能分解水，并且在水分解循环之间的再生温度往往高达1300–1500℃，能耗和成本都很高。

由伯明翰大学化学工程学院丁宇龙教授领衔的团队证明，采用钙钛矿类催化剂可以显著降低这一温度门槛，最高可降低约500℃。

研究成果发表在《国际氢能杂志》上。结果显示，这种钙钛矿催化剂在约150–500℃的温度区间即可产生大量氢气，而催化剂再生过程只需在约700–1000℃之间进行。

丁宇龙教授指出：“整体工艺温度的降低，使得在可再生能源电站附近布置制氢装置成为可能。钢铁、水泥、玻璃和化工等基础工业部门拥有大量可利用的废热，这些废热可以作为低温制氢的热源。如果氢气在产生地附近直接使用，就能绕开储存和长距离运输带来的难题，从而在不依赖昂贵基础设施的前提下推动氢燃料的应用。”

初步的成本竞争力分析表明，利用该钙钛矿催化剂进行水分解制氢的成本，有望低于目前的绿色氢气（通过电解水制得）和蓝色氢气（通过甲烷制氢并配合碳捕集与封存）。在澳大利亚等可再生电力价格较低的地区，这一成本优势尤为突出。

该研究是在与北京科技大学合作期间完成的。目前，伯明翰大学正推动该技术在英国和欧洲的商业化。伯明翰大学企业部门已就用于低温水分解的BNCF催化剂提交专利申请，并正在寻找产业合作伙伴，共同推进这一技术走向应用。

为什么选择热化学水分解？

虽然氢在宇宙中极为丰富，但地球上以纯氢气形式存在的量很少。氢主要以化合态存在于水，以及天然气、煤炭和石油等以甲烷为主的碳氢化合物中，要获得氢气必须先将这些分子分解。

当前最常见的制氢方式是蒸汽重整甲烷，这一工艺贡献了当今近一半的氢气产量，但会产生大量二氧化碳副产物，除非配套碳捕集与封存技术，否则难以实现低碳甚至零碳排放。

电解水制氢在环境友好性方面更具优势，但目前成本仍偏高，难以与甲烷重整竞争，因此在全球氢气供应中占比仅约4%。

光催化水分解则通过光能驱动水的化学转化制氢，目前仍处于早期研发阶段，在效率、规模化和成本控制等方面面临较大挑战。

在此背景下，热化学水分解因有望在较高效率和较低碳排放之间取得平衡，成为重要的研究方向之一。

钙钛矿催化剂的特点

钙钛矿是一类具有特定晶格结构的材料，能够吸收氧分子，并将含氧分子分解为其组成元素。

钙钛矿材料种类繁多，本次研究团队重点关注由钡、铌、钙和铁组成的BNCF钙钛矿。这类材料原料易得，制备过程相对简单，不含有毒成分，更利于规模化应用。

研究表明，BNCF钙钛矿在远低于以往认知的温度下就可以有效吸收氧气。团队发现，其中名为 BNCF100 的配方表现最佳：

• 能在低于现有水分解催化剂的温度下完成再生；
• 在连续 10 个制氢循环中保持稳定的产氢能力；
• X 射线衍射分析显示，其晶体结构在循环后几乎没有变化，表明材料具有良好的结构稳定性。

丁宇龙教授总结道：“我们的研究发现了一种能够在相对较低温度下产生大量氢气的催化剂。初步的技术经济分析显示，这一路线在成本效益上优于当前主流的蓝色和绿色制氢方案。”