“碳中和”战略背景下制氢技术与“绿氢”还原CO₂转化利用技术的进展、挑战及前景

摘要

人类对化石能源的过度依赖导致过量CO₂排放与全球温室效应加剧,成为21世纪人类社会所面临的最大挑战之一.新能源开发与CO₂减排成为全球共同使命,而制氢技术和利用氢气还原CO₂制化学品技术因其负碳效益和经济潜力而备受关注.本文分析了当前国内外制氢技术和CO₂加氢还原技术的研究进展、挑战与前景.其中我国绿氢制备与氢气还原CO₂技术处于国际领先地位,但仍面临成本高、转化率低、氢储运安全性和复杂催化体系等问题,限制了商业化进程.因此,相较于传统光/电解水制绿氢,开发低成本、高效率、无需储运的新型CO₂加氢制高值化学品技术体系显得尤为重要.生物质制绿氢耦合CO₂还原联产多种精细化学品提供了一条独特的碳循环路径.该技术在电催化、光催化和水热催化下,通过生物质脱氢生成的绿氢直接还原CO₂生成甲酸、甲醇等化学品（CCU范畴）,同时生物质氧化生成乙酸、乳酸等高值化学品.该技术在反应器中仅需维持较低压力氢气,避免了高压氢气的压缩与储运,而且可兼容多种低品位能源（低谷电能、太阳能、工业余热等）,实现CO₂转化全流程高效率、低成本、无污染.因此,本文评述了近年来生物质“绿氢”还原CO₂制高价值化学品的研究进展,包括糖类、藻类、甘油、醇类、木质素等脱氢氧化耦合CO₂还原的反应体系、机理及产物选择性,深入讨论了影响反应性能的关键因素.研究表明:未来氢能在能源体系中将发挥保障国家能源战略“接替”与“主力”作用,本着模拟自然、加快地球碳循环的理念,可再生且适于工业化应用的生物质作为CO₂还原的氢供体极具前景.通过电催化法、光催化法、水热法高效快速转化生物质废弃物以及CO₂,不仅从本质上解决能源枯竭与CO₂问题,助力双碳目标的实现,而且该技术具有显著经济效益,具备工业化可行性,为推进负碳技术的应用和发展提供新的理论与技术支撑.

关键词

制氢技术 / CO₂还原制高附加值化学品 / 生物质绿氢 / 光、电催化 / 水热法 / 碳循环

基金资助

中央高校基本科研业务费专项资金(2023QN1069)