氢气是最环保、最清洁的燃料，有可能在未来供应世界上大部分能源，取代目前基于化石燃料的能源基础设施。氢有望在不久的将来解决能源短缺问题，特别是在复杂的地理区域（丘陵、干旱高原等）和恶劣的气候（沙漠、冰雪等）。因此，在本报告中，我们根据各种范围介绍了可实现的氢燃料的现状，包括生产方法、储存和运输技术、全球市场和未来展望。其目标包括分析各种制氢过程的有效性及其对经济、社会和环境的影响。这些技术在对环境、制造成本、能源使用和能源效率的影响方面进行了对比。此外，还讨论了未来十年的氢能市场趋势。根据该领域众多令人鼓舞的最新进展，本综述概述了氢作为未来社会的理想可再生能源、其生产方法、最新的储存技术和运输策略，这表明氢经济的潜在突破。这些变化表明，这确实是人类社会发展进程中的一场深刻革命，被评价为与以次工业革命具有同等意义。

• 本文是主题集合的一部分： 可持续氢能的进展和 RSC 进展的 2023 年综述

福英乐

Phuoc-Anh Le目前在越南温大学环境智能中心和工程与计算机科学学院工作。他于2021年在台湾阳明交通大学获得博士学位。他的研究重点是开发用于储能和转换应用的新型材料。

Vuong Dinh Trung（旺廷忠酒店）

Vuong Dinh Trung目前是信州大学科学技术跨学科研究生院的博士生。他于2022年获得信州大学机械工程与机器人系硕士学位。他的研究兴趣集中在用于能量收集和存储的纳米材料。

Phi Long Nguyen（皮龙阮）

Phi Long Nguyen博士目前在越南航空航天研究所和越南温大学担任高级研究员。他于2013年在日本金泽大学获得计算机科学与工程博士学位。他在传热、热等离子体、激光技术及其应用技术领域拥有丰富的研究经验。

Thi Viet Bac Phung（泰越北丰酒店）

Viet Bac Thi Phung博士在日本金泽大学获得博士学位。她的研究主要针对计算和模拟材料科学。2010年至2013年，她在国立工业技术高等研究院（AIST）和日本科学技术高等研究院（JAIST）担任博士后研究员。她还在日本福井大学担任了四年的特聘助理教授，之后在越南温大学担任高级研究员。

夏树淳

Jun Natsuki博士于1994年在日本京都京都大学获得博士学位。自1994年以来，她一直在一些公司的研发部门和日本筑波的国立先进工业科学技术研究所（AIST）担任研究科学家。目前，她在信州大学纤维工程研究所（IFES）和前沿研究跨学科集群（ICCER）担任研究员。

夏树俊明

Toshiaki Natsuki 于 1994 年在日本京都工业大学获得博士学位。自 1994 年以来，他一直是日本筑波日立化学株式会社和日本国家先进工业科学技术研究所 （AIST） 研发部门的研究科学家。他于2006年加入日本信州大学，担任副教授。他目前的研究兴趣包括超级电容器和制氢新材料的设计、制造、结构分析和评估。

1 引言

在过去十年中，全球燃料供应发生了显著而重大的变化。煤炭、天然气和石油等传统化石燃料将逐步淘汰;这也是文明不可避免的趋势，对气候、水资源、土地资源和人民产生负面影响和影响。可再生能源，包括太阳能、风能、海浪、氢能等，已成为未来能源供应最有希望和最可能的前景。氢能有望在未来得到广泛应用，对各种社会发展产生重大影响。氢能可以在不依赖环境的情况下以工业规模产生，这与太阳能、风能和潮汐能等可再生能源相比，这些能源依赖于天气条件。这是这种燃料类型的另一个关键优势。此外，氢燃料可以根据每个国家的具体工业基础设施条件使用各种技术生产，使其成为一种非常灵活的能源燃料类型。

随着采用新的、更环保的能源解决方案和可再生能源的增加，化石燃料的使用量呈逐渐急剧下降的趋势。预计氢基能源工艺将在我们下一代中发挥重要作用，因为它们似乎是改善环境和可持续性环境的最佳方式之一。在越来越多的研究中，氢被视为全球可持续能源计划的重要组成部分，该计划可显着减轻气候变化、空气污染和全球变暖的威胁。作为人类文明发展的必然趋势，世界已经开始相互转换能量。在这里，从固体到液体和气体燃料转变的预测如图 1 所示。

图1 从1850年到2150年，能量形式从固体转变为液体，然后是气体。

可以从对环境无害的来源（太阳能、风能、潮汐等）制造氢燃料，这被认为是一种可再生能源燃料。然而，大部分氢气是由化石燃料生产的，而氢气的实际产量是使用电解水和生物质、污水污泥等可再生资源产生的，由于技术的限制和与其他传统化石前体相比成本高昂，氢气的实际产量仍然太小。今天使用的几乎所有氢气都是由化石燃料产生的，只有少数例外。图2a清楚地表明，全球产生的大部分氢气（约48%）来自天然气，18%的氢气来自煤炭，30%的专用氢气来自石油。水和电的电解用于产生剩余的 4%。

图2 （a） 全球氢气生产，  （b） 各种不同工艺的制氢效率。

图2b显示了各种不同工艺的制氢效率，其中电解效率最高，约为80%，但该技术仍然昂贵且难以大规模使用。17目前，蒸汽重整是生产氢气的最流行的策略。

从长远来看，氢燃料将取代碳氢化合物燃料，因为它具有优势和适应性。近年来，水分解法被大量研究用于生产清洁的氢气，这意味着没有有害气体（CO，CO2）是在生产过程中产生的。因此，如果我们使用电催化剂方法，水只会作为氢燃料产生的副产品产生，这被认为是最有效和最清洁的能源。氢燃料作为一种独立的清洁能源，其能量含量高于化石燃料，在全球范围内得到认可。作为热能和电力能源的绝佳选择，在许多其他用途中，氢气具有许多有益特性，包括大储存容量、可再生性、纯度、大规模运输、高转化率、低排放源、多功能性和快速回收。因此，它被公认为二十一世纪最有前途和生态效益最强的能源。氢燃料将很快在工业应用中发挥关键作用，刺激商业、电子技术、运输和航空技术的增长（图3）。

图3 氢燃料的供需关系。

未来十年，随着许多世界领先的能源公司与区域合作伙伴携手实施一系列能源项目，亚洲生产绿色氢的竞赛将愈演愈烈。绿色氢气是通过使用太阳能和风能等可再生能源将水分离成氢气和氧气来产生的。这种氢燃料可用于钢铁生产、混凝土和运输业等重工业。全球对绿色氢的需求正在强劲增长，尤其是在欧洲，欧洲正在加速可再生能源的发展，以减少对化石能源供应的依赖，尤其是在冬季。然而，预计这种投资趋势将在不久的将来在亚洲爆发。此外，在需求增加的背景下，氢气储存和运输技术也需要更强的研究和投资资源。这导致了对液氢容器和气态氢储存新材料研究的大力投资。综上所述，氢能产业将引领各类配套产业的快速发展，有助于提升经济，为以清洁可再生能源为基础的未来社会提供巨大机遇。

关于氢燃料、生产方法、储存和运输设施以及经济价值，已经有很多评论。每一次审查都为这种未来的燃料带来了一定的知识和观点。这篇综述旨在能够综合、提炼关键点，并及时更新有关氢能的重要信息。

2 氢气生产

目前的氢燃料一般可以根据颜色按各种类型进行分类，例如绿色类型可以由可再生能源生产，蓝色类型可以由化石来源制成包括 CO 和 CO2 捕获，灰色可以从化石来源中产生，而不需要捕获有害气体，红色可以从核能中产生（图4）。尽管现在大多数氢燃料都是蓝色和灰色的，但可以通过蒸汽碳氢化合物重整技术与一氧化碳和二氧化碳产生释放，绿色氢也可以从可再生能源中产生。

一种常见的技术是电解，它在施加的电流下将水分解成氧气和氢气，并产生绿色氢气，而不会直接排放二氧化碳。所需的电力可能使用可再生能源产生。图 5 显示了生产氢燃料的各种方法，包括三种蓝色、红色和绿色，主要来源为：（i） 化石燃料和 （ii） 可再生资源。这些方法中的每一种都有优点和缺点，下面将讨论这些方法。

图4 氢气的颜色基于各种生产技术。

图5 通常采用制氢策略。

2.1 化石能源氢气

目前，全球氢气生产主要通过两种主要方法从化石燃料投入中生产：重整和工业规模的热解。到目前为止，市场上流通的氢燃料一直是蓝色和灰色的，具有成本低、能够大量供应、在四大洲的许多不同国家生产等优点。

2.1.1 蒸汽重整

全球市场上使用的大部分氢气是通过重整碳氢化合物燃料生产的。氢气的产生被认为主要是通过碳氢化合物的蒸汽重整产生的，特别是在炼油厂中。在蒸汽重整反应中，蒸汽和碳氢化合物的组合在高温下反应生成二氧化碳和氢气（图6）。液化石油气和石脑油等天然气都用于蒸汽重整过程以获得氢气。在这里，从天然气或轻烃中重整蒸汽甲烷是最常用的碳氢化合物重整技术。甲烷蒸汽重整的一般过程可以用以下公式来描述：

图6 用于工业制氢的蒸汽甲烷重整图。

- 蒸汽重整反应：CH4+ H2O（heat）→ CO + 3H2(1)

- 水煤气变换：CO + H2O → CO2+ H2(2)

- CO2重整：CH4+ CO2→ 2CO + H2O(3)

- 高碳氢化合物蒸汽重整：CmHn + mH2O （g） → m CO + （m + 0.5n） H2(4)

例如，甲醇和含氧烃需要加热到180°C，但大多数传统碳氢化合物需要加热到500°C以上才能进行蒸汽重整。此外，还研究了使用具有额外金属的催化剂重整技术来克服传质和传热的限制，从而实现蒸汽重整的动力学。非贵金属（如镍）和来自VIII族元素的贵金属（如铂或铑）都用作催化剂。传统的蒸汽重整器由于显著的质量和传热限制，受到颗粒化催化剂功效因素的限制。因此，对于传统的蒸汽重整反应器，动力学很少成为限制因素，因此，在工业中使用成本较低的镍催化剂。总的来说，蒸汽重整在未来十年将继续成为氢燃料的主要来源，因为它拥有成熟的工业生产系统、有保证的输入燃料供应以及优化的制造方法，可以生产出最高质量的产品。当然，氢燃料行业的长期目标是用其他更环保的生产技术来替代使用天然气燃料源并排放二氧化碳或在操作过程中二氧化碳的蒸汽重整工艺。

2.1.2 部分氧化

蒸汽重整工艺的另一种策略是部分氧化，该工艺中可能使用甲烷、重质燃料油、煤和其他原料。从煤和重质燃料油中生产氢气的最佳方法是部分氧化。碳氢化合物燃料转化为氢气、CO、CO2，而其他部分氧化的化合物则通过放热过程进行部分氧化。这种方法的一个好处是氧化过程具有很强的放热性，这消除了对外部能源的需求。通常，重油馏分和低品位煤是气化源材料，这些煤难以进一步加工和使用。沼气和甲烷也是可能的。在称为部分氧化的非催化过程中，原料在氧气存在下气化，并可能在 3 至 8 MPa 的压力和 1300 至 1500 °C 的温度下进行蒸汽化，这比蒸汽重整产生更多的 CO2，因此部分氧化过程需要通过基于蒸汽的 CO 转化为 H2 来完成和CO2.部分氧化过程是放热反应，反应方程由下式给出：

CmHn+ 0.5mO2→ mCO + 0.5nH2                         （5）

此外，与非催化部分氧化技术相比，为了提高氢转化率并降低反应温度，使用催化剂对碳氢化合物进行部分氧化制氢已在商业环境中使用（图7）。

图7 （a）传统的部分氧化反应器，（b）催化部分氧化反应器。

2.1.3 自热重整

结合催化部分氧化工艺制氢的方法称为自热重整。蒸汽重整（吸热）和部分氧化（放热）过程都是自热重整的组成部分。与甲烷蒸汽重整相比，自热重整具有不需要外部热量、更简单、成本低廉等优点。简而言之，重整器充满蒸汽和氧气，这导致重整和氧化事件同时发生并产生热力学中性反应。与部分氧化重整法相比，自热重整技术可以在低压下进行。图8显示了一般的自热重整反应器，其化学方程式如下：

图8 自热反应器示意图。

- 燃烧区：

CmHn+ 0.5mO2→ mCO + 0.5nH2

(6)

H2+ 0.5O2→ H2O

(7)

CO + 0.5O2→ CO2

(8)

- 在热和催化剂区：CmHn + mH2O （g） → mCO + （m + 0.5n） H2(9)CO + H2O → CO2+ H2(10)

催化剂的选择，就像在部分氧化或蒸汽重整中一样，对结果至关重要，最广泛使用的催化剂是镍基催化剂，因为它们的效率和可负担性。由于这种方法具有出色的热效率，与部分氧化或蒸汽重整相比，使用的能量更少。此外，与部分氧化相比，自热反应方法的一个重要优点是它可以在快速开始和结束时产生大量氢气。汽碳比和氧燃比都被认为对于控制温度和避免自热反应过程中形成焦炭至关重要。

2.1.4 热解

热解是一种在无氧或厌氧条件下发生的热分解技术，目的是将不同的轻质液态碳氢化合物转化为氢和其他碳元素。碳氢化合物的受热降解称为热解，这取决于煤的特性，这些分解过程已在 300 至 400 °C 下进行。其他碳氢化合物的热分解已置于高温下;例如，甲烷需要1400°C的高温才能热分解。此外，使用过渡金属催化剂（如 Ni、Fe 或 Co）可以降低热解过程的温度。碳氢化合物的热解可以用以下公式来描述：

CmHn→ mC + 0.5nH2

(11)

CmHn+ （2m − 0.5N）H2→ mCH4

(12)

CH4→ C + 2H2

(13)

当沸点大于 300 °C 的重残余馏分是热分解的来源时，使用两步法生产氢气是有意义的，该工艺包括 （i） 加氢气化（方程 （12））和 （ii） 甲烷裂解气化（方程 （13））。尽管比其他方法产生更少的氢气，但这种方法能够同时产生有用的副产品，如碳纳米管、碳纳米纤维和碳球。

2.1.5 化石气化

化石气化技术被描述为气化剂（如氧气、蒸汽、空气或二氧化碳）与化石燃料（如煤）在高温下发生的一系列热化学反应。例如，称为煤气化的热化学转化过程将煤转化为氢气和一氧化碳等气态产品（图9）。该程序试图替代燃煤，以减少有害排放并提高燃料的能量密度。这种策略的主要好处是燃料比天然气重整更便宜。然而，鉴于碳含量高，与采用各种原料的替代方法相比，通过煤气化生产氢气的主要问题与更高的一氧化碳有关2排放。由于这些好处，煤气化和基于碳捕获的技术正在结合在一起。煤的气化是最早的制氢方式，氢气是在过时的天然气厂中产生的，含有大量的一氧化碳和大约 60% 的氢气。例如，煤的热解过程如下：

3C+O2+ H2O → H2
+ 3CO

(14)

CO + H2O → CO2+ H2

(15)

图9 制氢的一般示意图：（a）传统的煤气化工艺，（b）用煤膜气化的改良工艺进行CO2捕获。

2.2 来自可再生能源的氢气

2.2.1 生物质资源制氢

生物质因其丰富的资源和环境友好性而被认为是制氢的重要能源，旨在取代化石燃料。目前，有几种技术可以从生物质中产生能量，包括物理、热、化学和生物转化。生物质可能分别通过气化和热解过程、水分解转化为热能、电力、固体燃料（煤）、液体燃料（生物油、甲醇等）和气体燃料（氢气、合成气等）。

利用生物质作为制氢来源的最古老和最知名的方法是气化，它采用精心调节的过程，涉及热量、蒸汽和氧气，将生物质转化为氢气和其他产品而不燃烧。由于在生物质开发过程中从大气中去除了二氧化碳，因此这种方法的净碳排放量可以忽略不计，尤其是在采用碳捕获、使用和封存的情况下。生物燃料气化设施的建设和运营，可以以合理的成本提供高质量的氢燃料。通常，在气化过程中，有机或化石基碳质材料在500°C以上的温度下产生一氧化碳、氢气和二氧化碳而不燃烧（图10）。之后，一氧化碳在水-气变换反应中与水反应，产生二氧化碳和更多的氢气。这种气流可以使用吸附器或某些膜去除氢气。生物质气化过程可以用以下反应来描述：

图10 利用生物质资源制氢的热解和气化技术。

首次简化气化CxHyOzNmSl+ O2+ N2+ H2O → CO + CO2+ H2+ other(16)

水-气变换反应CO + H2O → CO2+ H2(17)

从生物质中生产氢气的另一种策略是热解技术。实际上，热解是在无氧的情况下改性气化技术。与煤相比，生物质更难气化，当不利用氧气时，它还会在离开气化炉的气体混合物中产生额外的碳氢化合物。因此，通常需要进一步的步骤来使用催化剂重整这些碳氢化合物，以产生氢气、一氧化碳和二氧化碳的清洁合成气组合。然后，在称为变换反应的后续步骤中使用蒸汽将一氧化碳转化为二氧化碳，就像用于制造氢气的气化过程一样（图 11）。生成的氢气在分离和纯化后进行分类和净化。

图11 热解重整生物质制氢的流程示意图。

2.2.2 塑料废料制氢

由于塑料被用于日常生活的许多不同方面，因此自塑料生产工业化以来，塑料的生产、消费和由此产生的塑料废物都在稳步增加。塑料包装的扩散和滥用、残留物管理不当、非法倾倒和不受管制的填埋对环境造成重大负面影响，特别是对陆地和海洋生态系统。由于塑料污染由来已久，因此引起了经济和社会的关注。事实上，塑料可以通过侵蚀和降解而分解成微塑料和纳米塑料，这是一个难以管理的问题，因为它能够污染供水，与环境中的化学物质相互作用，甚至进入人体。

几十年来，人们已经提出了回收塑料废物的问题，并采用了许多实验技术。被认为是开创性的想法之一是分解塑料废物作为输入前体，通过气化、气化-热解和电解等几种经典方法合成氢气。其中，塑料气化制氢是最流行的技术，基础设施最同步，并已实现工业规模生产。气化制氢可同时获得甲烷（CH4）作为主要产物和分离捕获，如图12所示。该技术一直是利用塑料废料制造氢燃料的主要方法，具有高效、稳定、低成本的特点。

图12 使用混合塑料废料前体生产氢气和其他物质的气化过程流程示意图。

以提高氢气生产效率为目标，开发了热解技术，其优点是能够气化大量塑料废物，例如轮胎、塑料容器等。 塑料热解是一种涉及快速使用垃圾并导致重大问题的技术（图 13).防止在城市固体废物中添加大量塑料废物（如塑料袋、塑料容器、轮胎）的最快方法是使用这种技术。热解还具有阻断微纳米聚合物存在于水源中并进入人体的通道的优点。然而，塑料热解技术在热解过程中对二氧化碳和废油产物也存在一些局限性。目前，为了增加氢燃料，已经使用了各种改进技术，例如热解蒸汽重整，热解-CO2干重整，热解-等离子体催化处理。

图13 一种从废塑料资源中生产氢气的热解过程方案。

除了工业上广泛使用的气化和热解气化方法外，电催化剂方法也在开发中。电催化是一种有吸引力且可持续的生产清洁氢的方法在适度的情况下，从阴极含有有机材料的电解质和阳极含有增值的含氧化合物，可以由可再生能源供电。通常，通过电催化氧化转化聚合物有两种不同的方法：直接氧化和间接氧化。使用强效氧化中间体的间接氧化在塑料的转化中占主导地位，而直接氧化对应于阳极表面的水放电产生的OH对聚合物的亲电攻击。例如，图14a显示了使用钯改性泡沫镍（Pd/NF）阳极和纯NF阴极直接氧化聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的电催化剂重整过程。在20.0 V与RHE电解7小时后，电流密度为400 mA cm−2，PET的转化效率提高到100%。图14（b）–（d）显示了KOH重整PET的电催化剂和最终产物，包括二甲酸钾、对苯二甲酸电解质和氢燃料。

图14 （a）PET转化为高附加值化学品的电催化剂重整工艺和H2燃料

（b） PET 回收的常规路线，（c） 电催化 PET 升级再造为商品化学品和 H2燃料，（d）不同电流密度下路线I的技术经济分析（TEA）。

总的来说，回收塑料垃圾的目的还有很长的路要走。然而，必须肯定的是，气化、热解和电化学重整等颠覆性方法的出现将为塑料废物可以完全用作氢燃料生产的丰富输入资源的未来带来希望。

2.2.3 利用可再生能源分解水制氢

目前，通过水分解法生产氢燃料是研究和改进技术以降低成本的一个非常感兴趣的课题。为什么水分解如此迷人？因为该技术的最终目标是开发一种电解系统，该系统使用海水作为电解质产生氢气和氧气。该技术的最大优点之一是它可以获得纯度高达95%的氢气产品。一般来说，水分解方法可分为三种技术：（i）低温水电解，（ii）高温水电解和（iii）光子。

低温电解水是在环境温度下利用电能将水分离成氢气和氧气的过程。使用这种方法，电解水所需的总能量随着温度的升高而略有上升。水电解过程由以下通用方程式描述：

H2O + e → H2+ 0.5O2

(18)

对于酸性电解质：阳极：2H2O →O2+ 4H + 4e+−; E° = 0 V(19)阴极：4H + 4e−→ 2H2; 
E° =+1.23 V(20)

对于基础电解液：阳极：4OH−→ O2+ 2H2O + 4e−; E° = +0.401 V(21)阴极：4H2O + 4e−→ 2H2+4OH−; E° = −0.828 V(22)

对于中性电解质：阳极：2H2O → O2+ 4H + 4e−; 
E° = +0.817 V(23)阴极：4H2O + 4e−→ 2H2+4OH−; 
E° = +0.413 V(24)在这里，破坏水中氢键和氧键的过程取决于电流通过放置在电解质中的阳极和阴极。虽然原理相同，但可以使用几种电解技术，例如碱性、阴离子交换、固体氧化物和质子交换膜电解槽来生产氢气[图15（a）–（c）]。图15a所示为一种水分解系统的一般工作原理，图15b和c分别为已开发的阴离子交换膜（AEM）电解和质子交换膜（PEM）电解系统。这些方法的主要区别在于所使用的电解质类型或使用的离子传输技术。目前，电解水可以获得高达80%的高转变效率，高于气化和热解，但该技术需要评估其价格才能在工业上大规模生产。

图15 低温水电解方案：（a）碱性电解槽，（b）阴离子交换电解槽，（c）质子交换膜电解槽和 （d） 微生物电解槽系统。

微生物电解槽（MEC）是一种生态学上无害的生物电化学制氢方法。图15d显示了基于三个主要部分的标准MEC系统的构建：（i）阴极，（ii）膜和（iii）阳极，其中该技术使用了阳极生物催化氧化和阴极还原过程。114外部可再生能源，如太阳能或风能，可以作为MEC系统的电源，并成为生产氢气的有前途的策略。目前，MEC专注于废水处理和生物能源制氢，因为MEC系统的制氢效率比电解水提供更高的产量。然而，MEC系统仍然存在一些需要改进的缺点，例如生物阳极在高温下的不稳定性，基质浓度高，生物阳极对高酸浓度相当敏感，以及生物阳极可以承担氢气。此外，MEC是一种基于微生物燃料电池（MFC）开发的有趣技术。MFC 有着悠久的历史，从 1931 年 Barnett Cohen 的简单半燃料电池开始，到各种完整的系统发展到现在。一般来说，MFCs是一种电化学装置，可以通过将细菌生化反应的化学能转化为电能来发电。

高温电解是解离H2O变成H2和 O2在 500 至 1000 °C 的极高温度下的蒸汽条件下，系统效率随着工作温度的升高而提高（图 16）。在高温电解水中，由于所需电源随着温度的升高而减少，因此所需的电源低于低温电解水。众所周知，高温电解比在常温下进行的标准电解更有效，并提供更高的效率。因此，高温电解工艺正在完成，并将在不久的将来实现工业规模的应用。目前，固体氧化物电解槽因其在高温下的化学稳定性和成本效益而成为高温系统的首选。由于非稀土元素更常被用作催化剂，因此固体氧化物电解是一种不断发展的技术，受益于其高效率。最流行的电极材料是氧化钇稳定的氧化锆或镍基陶瓷的复合材料，在大多数情况下，陶瓷用作电解质。

图16 固体氧化物燃料电池（SOFC）和固体氧化物电解槽（SOEC）的比较。

综上所述，低温和高温电解水是应对全球能源危机的有前途的技术。在氢经济中，它们在制造为工业和运输部门提供动力的氢气方面也发挥着重要作用。广泛的研究兴趣已经扩大到包括其他工业用途以及高性能材料的开发，以优化其潜在用途。这些研究兴趣不仅仅是电解水产生氢气。

光触媒技术中的氢气是通过光催化将水分解成氢气和氧气。由于这是光合氧的产生中通常发生的情况，因此需要光能（光子）、水和催化剂材料。目前，半导体及其复合材料通常用作光催化剂。水分解的工作原理如图17所示，当从能量等于或高于催化剂材料的带隙能量的光中吸收光子时，它会将价带（VB）中的电子推向导带（CB），在价带上留下空穴，形成电子和空穴对。在这里，电子和空穴会引起类似于电解的氧化还原反应，产生氢气和氧气（图17a和b）。对于水还原过程，与典型的氢电极 （NHE） （H/H） 相比，价带的电位必须高于 1.23 V，导带必须低于 0 V+2).目前，已经有各种类型的材料用于光催化剂制氢，包括金属氧化物（TiO2、ZnO、氧化锡2Cu2O、Fe2O3),金属硫族化物（MoS2、WS2、NiMo2),碳基材料（碳点、碳纳米管、石墨烯），金属有机骨架（MOF-5、UiO-66、MIL-125、MIL-101），等。然而，由于光催化效果低、催化剂材料不稳定，仍存在局限性，可以通过防止光电子-空穴复合、减少副产物的二次污染、防止毒性失活来克服。

图17 光触媒分解水的（a）主要工艺，（b）使用半导体作为催化剂材料时的工作原理，以及（c）半导体的能带结构和分解水的氧化还原电位。

3 氢气储运技术

储氢与制氢同样重要。氢气经过各种方法合成制备后，以气体和液体两种主要形式储存。此外，根据每个地区的基础设施和设备，储氢可以分为固定式储氢和移动式储氢两种类型。固定式存储技术的主要应用是固定式能源生产和在生产或使用地点的现场存储。移动设备的应用要么用于将已储存的氢气移动到某个位置以供使用或储存，要么用于在车辆中使用氢气。本文根据实际需求将储氢分为两大类：物理储氢和基于物料的储氢（图 18）。

图18 储氢方法。

3.1 压缩气态储氢

目前，氢燃料以气体形式储存在许多不同的技术中。出于运输目的，压缩气体用于特殊储罐中。带有碳盖的钢或轻质复合材料可用于制造储罐。最流行的储氢技术是将其压缩到超过 300 巴的压力。低温压缩气体是压缩气体技术的替代品，它利用温度和压力来增加存储系统中的体积能量密度。此外，随着技术的飞速发展，氢气也被储存在地下深层地质构造中，包括盐矿、坚硬岩石洞穴，甚至枯竭的油气田（图19）。该技术的优点是，无论天气变化和气候波动如何，它都能保持氢源的平衡，这对于储存大量氢燃料至关重要。未来对氢气的预测需求将超过目前安装的地面基础设施（如管道或储罐）的储存能力。氢气可以在需求高峰期之外生产，并在需要时安全地储存在地下，确保长期的能源安全和供应稳定。

图19 电解制氢所涉及的许多过程的图示表示，氢气在盐穴或地质构造中的季节性储存，氨在氨制造中的使用，以及通过燃料电池的再电气化。

3.2 液化氢储存

氢气可以在极低的温度下液化（253 bar 时为 -1 °C），因此可以将其储存在特殊的容器中，用于长距离运输，例如从一个大陆到另一个大陆。然而，氢气的液化需要大量的能量才能在低于-253°C的温度下液化，并在液化过程中进行预冷。因此，液氢罐还专门设计了用于液态氢储存和运输的复杂系统（图20）。

图20 低温氢气罐示意图。

液氢储存也面临着液体蒸发的大问题，因为罐内温度会随着外界温度的升高而升高。这种蒸发现象被解决为每天损失的氢气，也称为沸腾速率。为了减少外部环境的热影响，液氢固定储存设施更倾向于使用容积非常大的球形储罐，最高可达数千立方米。在公路运输液氢时，水平管式储罐用于平衡内部液体的位移，而球形储罐将优先用于运载液化石油气的巨型船舶的水运。图 20 描绘了一个传统的液氢储罐，以及它的所有众多部件，包括真空超级绝缘。用于储存氢气的储罐有两面墙，它们之间有绝缘层。由于外界环境温度与液氢温差很大，因此内容器采用多层绝缘，也称为真空超级绝缘。这种绝缘材料由金属箔和填充材料的交替层制成。综上所述，由于液化所需的功率，液氢的运行成本较高，但根据氢气的体积和输送距离，它也具有更便宜的资本支出。

3.3 氢气运输

氢气可以通过多种方式从生产现场转移到最终客户，具体取决于氢气的量、运输距离和地形。根据目前使用和开发的天然气运输方法，现在主要有三类：航运、管道运输和公路运输。解决少量氢气需求的最简单方法是用装满压缩氢气的卡车运输压力罐。这是短距离的最佳运输解决方案，尤其是在一个区域内。然而，氢气的体积密度低，使得氢气的大规模输送成为一项技术难题。这表明，当氢气被转化为更高密度的形式时，氢气可以更有效地在海外远距离运输。以液体形式运输氢燃料被认为是解决地理距离和大体积问题的绝佳解决方案。

液态氢、液态有机氢载体和氨是最常见的氢气出口形式，被认为是实用的。这些储氢策略使用各种能源密集型转换过程，例如冷却、压力、化学转换和释放。大容量和长距离的氢燃料运输只能通过海运完成。图21描述了通过各种策略运输氢燃料的过程，其中氢燃料是由重型卡车和大吨位船舶在国内或邻国运输的压缩气体。对于长期和洲际运输需求，氢气通常以三种主要方式转化为液态：液态氢、氨和液态有机氢载体。液态氢燃料的运输困难，因为当容器内温度升高时液态氢会沸腾蒸发，并且在运输过程中需要复杂的控制系统来保持液化温度。因此，目前使用的其他更可控和更便宜的方法是氨和液氢载体。

图21 氢气输送途径示意图。

与其他储氢材料相比，氨具有多种优势，包括高氢密度、发达的制造和分销技术以及简单的催化分解。目前，Haber-Bosch 方法通常用于工业规模的氨生产：3H2（g）+N2（g） ↔ 2NH3（g），
ΔH° = 92 kJmol−1(25)

它的好处是没有CO2与碳氢化合物和醇类相比，最终用户的排放。使用氢载体（如氨（NH3）在相对较低的压力下以液态形式存在，它们的能量密度高于 1.5 倍液化氢和 3 倍压缩氢。然而，缺点主要与液氨的毒性以及分解后氢气中残留的微量氨的问题有关。目前，世界各国都在开发旨在替代化石燃料的绿色合成氨，并为制氢提供了替代策略。图22a显示了绿色氨可以从可再生能源（太阳能、风能、水力发电等）中生产，用于各种用途目标。目标是在全球范围内提供绿色氨，并在使用点将其分解成氢气，以提供加氢站。不断发展的绿色氨行业需要直接氨燃料电池和其他补充技术来提取绿色氨中所含的能量。为了将绿色氢作为能源和可持续的氢经济，绿色氨正逐渐发挥关键作用。

图22 合成和分配氢载体的工艺（a）氨，和 （b） 液态有机氢携带。

液态有机氢载体是氢气运输的另一种替代技术，主要利用萘、甲苯、十氢萘、甲基环己烷等不饱和液态有机物。在这种方法中，可能通过化学反应收集和释放氢气的不饱和液态有机物被称为液态有机氢载体。从理论上讲，图22b显示了氢化过程，该过程可以将氢添加到任何有机不饱和分子中，然后在吸热脱氢之后，氢气在运输到最终客户之前被提纯。携带液态有机氢的系统在可持续性、回收和排放方面优于传统能源系统。此外，它可以用于全球固定和移动应用，并且比其他氢基系统更安全、更易于处理。毫无疑问，氢燃料将在不久的将来被使用，并出现在各个行业，从重工业到燃料汽车和船舶等运输车辆。这是由于当前不断增长的能源需求。随着燃料在各大洲的流动，氢运输的物流行业肯定会出现巨大的加速。毫无疑问，在未来几十年中，以气态和液态形式储存和移动氢燃料的方法将取得重大进展。

第4章 全球市场和氢基能源的未来前景

随着全球人口增长和城市化趋势的持续，能源消费者将变得越来越多，预计到2030年，世界人口预计将翻两番，全球能源需求将大幅增加。由于化石燃料的供应有限和枯竭，研究和开发主要集中在开发新的替代来源和研究有效利用现有化石燃料上。

氢经济将出现，迫使化石经济和人类活动的基础设施发生重大转变，就像油气经济一样。由于新能源生产模式不再是寻找、勘探和开发，因此有必要设计和建造新的储氢、运输和提供氢气以满足消费需求的方式。当然，它将与汽油和柴油发动机不同，因为该发动机将使用适合氢能的新概念制造。在采用新能源的同时，有必要重建技术标准、安全规范和法律要求。与现有的化石经济相比，氢经济的教育、培训和科学研究将需要新的设施和新的内容。在短时间内，必须进行重大调整才能实现碳中和。化工行业必须脱碳才能在 2050 年之前实现净零排放，因为它占所有工业 CO2 的 15% 以上排放（图 23）。所有这些事态发展都表明，这场革命与人类社会历史上过去的工业革命一样深刻而重要。例如，图23b显示了未来潜在的电解槽系统必须由低碳电力供电，以减少生命周期的CO2排放。性能基准集中在研究最多、可扩展的低温电解系统上，这些系统基于用于制氢的 PEM 电解槽和用于 CO2 的气体扩散电极组件电解。

图23 一氧化碳排放2从化学工业和使用电解技术还原它们的方法：（a）典型化学生产设施的模式，其中能源和原材料由石化原料提供，（b）使用电解的脱碳制造过程的想法;氢气是由电解水作为能源产生的，而CO2电解以生产化学转化过程的原料，以及 （c） 描述目前在整个欧盟实施水电解制氢的计划。

可以看出，氢燃料源正在并将广泛应用于工业，特别是冶金、机械制造等重工业。这些行业需要大量的氢燃料和持续、不间断的供应。这给氢燃料生产行业带来了巨大压力，需要全面开发一种与传统化石燃料完全不同的新型燃料的基础设施。此外，食品和医药等轻工业也需要清洁的氢燃料供应，用于储存、保存和制造应用。为了产生涉及有机分子的化学反应，在加氢过程中加入氢气。例如，在食品工业中，H2分子被掺入不饱和植物油和脂肪中。此外，氢气为生产更耐用的肥料提供了迷人的选择。氢气在医学上也被大量使用，其典型应用包括使用清洁、高纯度的氢气来治疗疾病。H2使用呼吸机回路、面罩或鼻插管吸入气体是一种简单的治疗方法。吸入被认为是治疗压力的最有效方法，因为吸入 H2气体迅速消解并被吸收到整个身体中。氢气在医学上的应用非常广泛，也确实有必要。因此，在这个医疗领域，需要一种清洁、高纯、稳定的氢气源。

目前产生的大部分商业氢气来自化石燃料，例如煤气化或天然气重整。氢气可以使用类似的程序从生物质原料中生产。几十年来，某些工业应用已经采用电解水来制造氢气，但近年来，由于技术的快速发展和廉价电力的可及性，人们对这一过程的兴趣越来越大。许多关于未来制氢的预测在很大程度上依赖于电解，但其他发展中的技术，如热解和光解，可能允许更有效地利用热能或太阳能。

未来的趋势是通过环保的可再生能源从电解水中生产绿色氢气（图24）。预计这种生产方法将比工业生产便宜，因为主要投入成本是可再生能源（太阳能、风能、水力发电、潮汐能）的电力。生物质、藻类和生物转化过程制氢技术仍在研究和测试国家氢能战略和实施预算的过程中。

图24 氢燃料和使用途径的未来概述。氢气具有广泛的用途和生产选择，这使得它可用于提供能源系统的灵活性和部门耦合。

随着温室气体排放量的增加和极端天气事件频率的增加，不难看出为什么各国都在展望能源在清洁数量中发挥核心作用的未来。然而，目前超越化石燃料的努力是极其困难的。此外，石油和天然气的地缘政治影响是存在的，使所有其他燃料来源相形见绌。世界正面临一场直接影响经济和股市的全面能源危机。从石油经济向可再生能源经济转型的雄心壮志是巨大的，值得追求，但仍有太多的经济和地缘政治障碍需要克服。向可再生能源的过渡需要时间，因为世界将不可避免地面临严重冲击，因为需要重新分配为世界经济提供动力并作为地缘政治秩序基础的整个能源系统。

5 结论

由可再生能源制成的氢燃料仍处于起步阶段，但具有巨大的发展潜力。许多国家已经宣布了巨额投资的绿色氢能战略。如今，可再生能源的绿色氢气生产具有竞争力，尤其是在近年来太阳能价格暴跌的情况下。目前，电解技术正在改进，允许大规模生产工厂的发展。另一方面，可再生能源，特别是风能和太阳能发电成本的下降，也是推动绿色氢能产业发展的重要因素。此外，气候变化压力推动了逐步淘汰化石燃料的需求，从而推动了绿色氢战略。政府、能源公司和汽车公司提倡使用清洁燃料，氢气在帮助减少温室气体排放以防止气候变化后果方面发挥着关键作用。这一前景引发了一场全球竞赛，争夺价值数千亿美元的市场份额。

由于绿色氢对实现净零排放经济的重要性，人们认为必须根据详尽的研究结果制定全球氢战略和十年计划，这些研究展示了关键发现并为未来的政策影响提供了指导。满足世界大规模氢气需求的可行途径是液态氢的运输。然而，仍然需要技术解决方案来降低运输成本，在运输过程中保护液态氢气，并将蒸发效率保持在可接受的水平。建设与氢燃料源兼容的家庭、工业和交通基础设施的必要性是另一个关键问题。将我们目前的化石燃料基础设施转换为替代燃料无疑需要一些时间。此外，这给世界各国带来了巨大的困难。总之，氢气目前正在进行广泛的研究，以创造一个高科技、生态友好和安全的社会。氢无疑将成为未来的主要能源。

利益冲突

作者声明，他们没有已知的相互竞争的经济利益。

确认

作者希望感谢越南VinUniversity和日本信州大学的支持。这项工作还得到了JSPS KAKENHI（批准号JP23H01299）的支持，部分得到了福建省闽江讲座教授计划（CN）[No2022（4）]的支持。