斯坦福研究人员开发出更高效的可持续制氢方法

工程师采用一种新型加热方式，在显著降低碳排放的同时，大幅提升了氢气生产效率，而且这一过程还带来了一个意想不到的额外收益。

l  斯坦福大学研究人员开发出一种高效、低排放的新型制氢方法。

l  该工艺通过利用部分已生成的氢气在反应器内部进行加热，而不是依赖传统的外部加热方式，从而显著提高了加热效率。

l  更令人意外的是，这一过程还能够生成高品质石墨，未来有望用于电池制造等领域。

氢气生产对于全球许多重要的工业和农业领域而言至关重要，但其环境代价同样十分显著：目前绝大多数氢气仍通过会释放大量二氧化碳的工艺生产。这既与制氢过程对高温的需求有关，也与工艺本身产生的直接碳排放有关。如今，斯坦福大学研究人员开发出一种新的高效制氢方法，不仅能够大幅减少二氧化碳排放，还会产生一种意想不到且可能具有较高价值的副产物。

这项研究发表在《Science》期刊上。研究采用了一种名为“甲烷热解”的工艺，通过将甲烷分解为氢气和固态碳，而不是像传统制氢工艺那样生成气态二氧化碳。

“目前，我们通常利用天然气制取氢气，但同时也会产生二氧化碳。”该研究共同第一作者、斯坦福大学工程学院化学工程系研究人员Henry Moise表示，“热解是一个类似的过程，但区别在于，它不会生成二氧化碳，而是生成固态碳。”

规模化应用面临的挑战

甲烷热解技术已经研究多年，但由于两个主要障碍，始终难以从实验室走向规模化应用：一是如何将固态碳从反应器中有效排出，二是如何向反应器提供足够的热量以维持反应进行。此次论文由Moise与德国访问学生Sebastian Moll共同担任第一作者，研究重点主要集中在解决第二个问题。

“如果希望将热解技术扩大到足以满足氢能市场需求的规模，就必须建造体积非常大的反应器。”论文通讯作者、斯坦福大学工程学院化学工程副教授Matteo Cargnello表示，“要将这些大型反应器加热到约1000摄氏度的高温，就必须采用非常高效的加热方式。”

目前工业反应器普遍采用外部加热方式，但随着设备规模扩大，这种方式会带来明显问题。“可以想象，当你从外部加热一个体积非常大的设备时，热量很难一直传递到反应器中心区域。”Cargnello说道。

为了解决这一问题，Moise及其同事开发了一种从反应器内部进行加热的方法。研究团队没有燃烧会产生二氧化碳的天然气，而是在反应器内部设置燃烧器，选择性燃烧一部分已经生成的氢气。该过程主要生成水，因此能够在高效提供反应所需热量的同时，避免直接产生碳排放。

Moise表示，这种方法带来的效率提升大约达到10倍。换句话说，在使用相同能量的情况下，采用这种新型自热加热方式的单台反应器，能够获得与10台采用传统外部加热方式的反应器相当的产出。

“这归根结底还是效率问题。你可以通过从源头避免生成二氧化碳来减少碳排放，也可以通过更加高效地利用能源来降低二氧化碳排放。”Moise表示，“因此，实现更加可持续的工艺其实有多种途径。”

意外收获

除了效率上的提升之外，研究人员还发现了该工艺带来的另一个意外优势：反应生成的固态碳竟然是高品质石墨，而石墨正是电池、电极以及其他技术领域广泛使用的重要材料。

“并不是说我们完全没有预料到会得到质量更高的碳材料，但其石墨化程度和碳材料质量之高，还是超出了我们的预期。”Moise表示，并称这是整个项目中最令人意外的发现。

Cargnello强调，这种高品质碳副产物未来可能为美国实现某些关键材料的本土生产提供一条新路径，因为目前美国仍需要从海外进口这类材料。不过，他也指出，目前获得的石墨纯度还不足以直接满足电池材料等高要求应用。“这是一个非常重要的进展，”他说，“但后续仍需要完成更多步骤，也需要开展进一步研究。”

“这还是回到了效率这个核心问题。你可以通过避免一开始就生成二氧化碳来降低排放，也可以通过更加高效地利用能源来减少二氧化碳排放。” Henry Moise道。

基础性分子

研究人员强调，开发更加可持续的氢气生产工艺十分重要，因为氢气是一种很多人并未意识到自己每天都在依赖的基础性化学分子。

“至少有几个百分点的GDP都与氢气有关，而且无论它是清洁生产还是高碳生产，我们未来都仍然会继续使用氢气。”Moise补充道。

他以化肥为例指出，氨的生产依赖氢气，而据估计，以氨为基础生产的化肥帮助供养了全球大约一半的人口。氢气还被用于炼油过程中去除汽油中的硫，同时也是甲醇等重要化工产品生产过程中的关键原料。“氢气实在太普遍了，以至于它在某种程度上反而变得‘看不见’。”他说。

研究人员希望，这种新工艺能够为低成本、清洁制氢打开新的可能性，并使这一支撑众多日常产品生产的重要基础化学品变得更加可持续。

Cargnello强调，该项目是多方合作的成果，其中包括加州大学圣塔芭芭拉分校Eric McFarland团队提供的大型反应器相关数据，共同作者Arun Majumdar推动团队深入研究这一问题，以及Moll在实验室中与Moise共同开展了为期六个月的研究工作。

此外，多项资金支持也为项目成功发挥了基础性作用，其中包括Kavli Foundation、莱斯大学Carbon Hub、斯坦福大学Natural Gas Initiative，以及丹麦奥胡斯大学CO2 Research Center。

Cargnello表示，未来仍然需要持续的合作和资金支持，因为接下来的工作规模将更加庞大，包括进一步放大该技术，并验证其是否适用于主流氢气生产。

更多信息

斯坦福大学其他共同作者还包括博士研究生Joshua Martinez-Navarro和Sai Varanasi，以及前博士后研究员Kun Xu。Cargnello同时也是Precourt Institute for Energy高级研究员和Bio-X成员。Arun Majumdar现任斯坦福Doerr可持续发展学院Chester Naramore院长，并担任Jay Precourt Provostial Professor。他同时是工程学院机械工程教授、Doerr可持续发展学院能源科学与工程教授、SLAC光子科学教授，以及Stanford Woods Institute for the Environment和Precourt Institute for Energy高级研究员。其他作者分别来自加州大学圣塔芭芭拉分校和德国卡尔斯鲁厄理工学院。

这项研究主要得到了Kavli Foundation、莱斯大学Carbon Hub以及斯坦福大学Natural Gas Initiative的支持，其他资金还来自Novo Nordisk Foundation和CZero Inc.。部分研究工作在nano@stanford完成。Natural Gas Initiative隶属于Precourt Institute for Energy旗下Center for Fuels of the Future，是一个产业合作项目。斯坦福大学产业合作项目的经费由企业会员费提供。Precourt Institute for Energy隶属于斯坦福Doerr可持续发展学院。

利益冲突声明：斯坦福大学已就本研究所报道的相关成果提交临时专利申请。其中一名作者EM拥有一项与自热热解相关的专利（WO/2025/175109），并在项目资助方之一CZero Inc.中拥有经济利益。

翻译人：高丰言

来源：https://fuelcellsworks.com/2026/09/04/h2/stanford-researchers-develop-an-improved-method-for-producing-sustainable-hydrogen