氢气作为一种高效清洁能源，其制备技术横跨实验室研究与工业应用，涵盖化学、物理及生物等多种学科领域。本文将从实验室基础方法出发，逐步探讨工业规模化制氢的多元路径，并分析不同技术路线的能效与环保特性。

一、实验室制备：基础化学反应的氢气生成

实验室环境中，氢气制备常采用简便且直观的化学反应方法，以满足教学或小规模实验需求。

1. 金属与酸反应法

锌与稀硫酸的置换反应是最经典的实验室制氢方案：

Zn+H2SO4→ZnSO4+H2↑Zn + H_2SO_4 \rightarrow ZnSO_4 + H_2↑

Zn+H2

SO4

→ZnSO4

+H2

↑

该反应在常温下进行，操作简便，但需注意硫酸的腐蚀性。此外，铝与氢氧化钠溶液反应也可生成氢气，反应方程式为：

2Al+2NaOH+2H2O→2NaAlO2+3H2↑2Al + 2NaOH + 2H_2O \rightarrow 2NaAlO_2 + 3H_2↑

2Al+2NaOH+2H2

O→2NaAlO2

+3H2

↑

该反应需控制温度以避免铝表面氧化膜阻碍反应进程。

2. 电解水法

通过直流电分解水可制得高纯度氢气：

2H2O→2H2↑+O2↑2H_2O \rightarrow 2H_2↑ + O_2↑

2H2

O→2H2

↑+O2

↑

实验室电解装置多采用铂电极与碱性电解质，但能耗较高，仅适用于小量氢气需求场景。

3. 生物制氢法

厌氧细菌分解有机废物可产生氢气，如利用厨余垃圾在37℃下发酵：

C6H12O6→2CO2+4H2C_6H_{12}O_6 \rightarrow 2CO_2 + 4H_2

C6

H12

O6

→2CO2

+4H2

该方法兼具废物处理与能源回收价值，但氢气纯度需进一步提纯。

二、工业制氢：规模化技术的能效与环保权衡

工业氢气生产需平衡成本、产量与环保要求，主流技术路径包括化石燃料转化与可再生能源驱动的绿色制氢。

1. 天然气重整制氢

甲烷与水蒸气在高温（700-850℃）下催化反应生成合成气（CO + H₂），再通过水气变换反应（CO + H₂O → CO₂ + H₂）提升氢气纯度。该工艺氢气产量可达70%，但需消耗大量天然气，碳排放强度较高。

2. 电解水制氢

工业电解技术分为碱性电解（ALK）与质子交换膜电解（PEM）。ALK技术成熟且成本低，但效率仅70%；PEM电解效率可达90%，但设备成本较高。结合风电、光伏等可再生能源的“绿氢”项目正在全球推广，如2024年德国启动的10MW PEM电解制氢示范工厂。

3. 甲醇裂解制氢

甲醇与水蒸气在铜基催化剂作用下裂解生成CO₂与H₂（CH₃OH + H₂O → CO₂ + 3H₂），经变压吸附提纯可获99.99%纯氢。该技术投资成本较低，且甲醇可由生物质或二氧化碳合成，具循环经济潜力。

4. 煤焦化副产氢

煤炭高温干馏生成焦炉煤气，其中含55-60%氢气。虽为传统钢铁工业副产品，但碳排放量大，需耦合碳捕集技术（CCS）实现低碳化转型。

5. 前沿技术探索

○ 生物质气化制氢：木质纤维素高温分解生成合成气，经催化重整产氢，但焦油处理技术仍待突破。

○ 硫化氢分解：石油脱硫过程产生的H₂S在高温下催化分解为H₂与硫磺，兼具资源回收与环保效益。

○ 核能高温电解：利用核反应堆余热驱动电解水，日本“常阳”核电站已开展兆瓦级示范。

三、技术展望：氢能经济的绿色转型

当前全球氢能产业正从“灰氢”向“蓝氢”与“绿氢”过渡。国际能源署（IEA）预测，至2050年绿氢占比将达70%。技术突破方向包括：

1. 电解效率提升：新型膜材料与催化剂可降PEM电解能耗至3.5kWh/kgH₂。

2. 生物质-氢耦合：酶催化水解纤维素直接产氢的生物反应器研发加速。

3. 氢储能闭环：利用弃风电/光电制氢，再通过燃料电池发电，形成“电-氢-电”循环经济链。

氢气制备技术的演进，本质是能源转型与化学创新的交汇。从实验室烧杯中的气泡到工业管道的氢流，人类正以多元技术路径破解氢能经济的“成本-环保”悖论，迈向更清洁的能源未来。