氢能是推动全球能源低碳转型的重要载体，高效、低碳的制氢技术是氢能产业发展的源头与核心。天然气化学链制氢（CLHP）技术引入氧载体（通常为Fe₂O₃），将传统催化重整反应解耦为多步气固循环反应，具有CO₂原位捕集与自热运行的固有优势，是极具前景的低碳制氢路线。然而，受限于动力学与热力学约束，当前该技术高度依赖850℃以上的高温操作，同时面临载氧体还原深度不足、氢气产率偏低等关键挑战，严重制约了其工业化发展与规模应用。

中国科学院工程热物理研究所金红光院士团队围绕上述关键挑战，从氧载体强化和反应条件优化等角度开展研究，取得了重要突破。在氧载体强化方面，研究人员发现向Fe基载氧体中机械掺混少量Ni基颗粒可从根本上改变CH₄与Fe₂O₃的反应路径：Ni催化CH₄裂解产生的H₂可有效还原Fe₂O₃，同时产生的H₂O可原位气化Ni表面积碳生成合成气，这一协同机制显著降低了表观活化能，使650℃下CH₄转化率突破90%。在此基础上，研究人员进一步提出在还原阶段同步注入水蒸气的水基化学链制氢工艺：蒸汽不仅为CH₄转化提供额外氧源、抑制积碳，还通过促进水气变换反应持续提升H₂产率与选择性，将可行操作温度拓展至550～650℃的中温区间。实验表明，650℃下CH₄转化率可达93%，H₂产率达2.65 mol/mol-CH₄，载氧体展现出良好的循环稳定性。

在系统层面，研究人员基于实验数据构建了天然气水基化学链制氢自热系统模型，充分利用空气反应器高温载氧体的显热驱动还原侧吸热反应，在无需辅助燃烧的条件下实现稳定自热运行。与传统湿重整及常规高温化学链制氢系统的对比分析表明，制氢过程反应温度降低近300℃（900℃降低至600℃），H₂产率达2.65 mol/mol-CH₄，较传统湿重整系统提升约21%；系统能效较传统高温化学链制氢系统提高近7个百分点，CO₂捕集率达88.35%。系列研究从氧载体强化机制到水基制氢工艺再到自热系统集成，系统验证了天然气水基化学链制氢技术在中温条件下的高效制氢性能与工艺可靠性，为化学链制氢原理样机的研制奠定了坚实的理论与实验基础。

上述研究获得国家自然科学基金（No.52376018、No.52225601）及中国科学院战略性先导科技专项（No. XDA0390401）的资助，相关成果分别发表于《Journal of Cleaner Production》《Chemical Engineering Science》《工程热物理学报》等能源化工领域重要期刊。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2026.147840

https://doi.org/10.1016/j.ces.2025.122275

图1 水基化学链制氢工艺