《International Journal of Hydrogen Energy》：Advances in process intensification and reactor engineering for hydrogen production from ammonia decomposition
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唐世杰|苏志凯|吴一然|刘颖梓|施大鑫|李汉生|吴钦|陈康成|张瑶媛北京工业大学化学与化学工程学院化学生力源与绿色催化重点实验室，中国北京100081摘要氨已被视为一种有前景的氢载体，这使得氨分解成为现场制氢的关键技术。然而，随着传统改性方法开发达到其性能极限，亟需工艺和工程创新
唐世杰|苏志凯|吴一然|刘颖梓|施大鑫|李汉生|吴钦|陈康成|张瑶媛
北京工业大学化学与化学工程学院化学生力源与绿色催化重点实验室，中国北京100081
摘要
氨已被视为一种有前景的氢载体，这使得氨分解成为现场制氢的关键技术。然而，随着传统改性方法开发达到其性能极限，亟需工艺和工程创新以提高能源效率和氢气纯度。本综述全面介绍了两个关键领域的最新进展：（1）工艺强化策略，包括微波加热、光热耦合、热电协同和等离子辅助。与传统热催化相比，这些方法可以将实现完全氨分解所需的温度降低约100°C，并将催化活性提高2至5倍；（2）先进的反应器设计，如微反应器、膜反应器和单体反应器，这些设计可以增强传热/传质效果和产物分离（H?纯度>99.9%）。通过总结每种方法的优势和挑战，本综述旨在为工业应用中高效的氨制氢技术的发展提供支持。
引言
到2050年实现碳中和是全球应对气候变化的重要目标，这需要迅速从传统化石燃料转向清洁、可持续和可再生能源。在各种替代能源载体中，氢（H?）因其高效率、零碳排放以及在燃烧过程中不产生碳或氮氧化物而脱颖而出。这些特性使氢成为未来低碳能源体系的基石[1]。
然而，氢的物理和化学性质（如高挥发性和低体积能量密度）对其储存、运输和分配带来了重大的技术和经济挑战。这些障碍凸显了开发高效、安全、经济可行且环境友好的氢储存材料以及能够在使用点直接释放氢的现场制氢技术的迫切需求。
全球在氢储存技术方面取得了显著进展。当前主流方法包括高压压缩[2]、低温液化[3]、固态吸附[4,5]和化学氢储存[6]。每种方法在容量、安全性和实用性之间存在不同的权衡。值得注意的是，化学氢储存利用富含氢的化合物进行可逆或按需释放，由于其高储存容量、固有的稳定性、处理的安全性以及有利的经济性，成为可扩展氢利用的最有前景的途径之一。
氨（NH?）是一种富含氢的化合物，其氢的质量分数为17.7%，能量密度为3.5千瓦时/千克，远高于甲醇和汽油等燃料。氨分解仅产生氮和氢，不产生任何CO?副产品。未转化的氨可通过吸附有效去除至低至200 ppm的水平。在室温下，氨可在8个大气压下或-33°C及常压下以液态存在，液态密度为680千克/立方米。这些特性使得氨成为一种相对安全和节能的储存方法[7,8]。此外，氨合成是一项成熟的技术和全球性产业，其产品成本较低。目前，全球氨的年生产能力约为2.2亿吨，实际年产量约为1.7亿吨[9]。在中国，约有240家氨生产企业，总年生产能力约为6000万吨[10]。此外，由化石燃料通过碳捕获与封存（CCS）生产的蓝色氨，以及使用太阳能和风能等可再生能源合成的绿色氨，正在逐渐取代传统的灰色氨[11]。技术提供商如西门子、JGC、Haldor Topsoe[12]和Yara[13,14]正在日本、英国、荷兰和美国建设零碳氨工厂。此外，沙特阿拉伯计划建设世界上最大的绿色氨工厂[15,16]并推广零碳蓝色氨的生产[17]。因此，与碳氢化合物燃料相比，液氨作为一种理想的氢载体脱颖而出，为燃料电池提供了可靠的氢供应途径。如表1所示，虽然石油的热值更高，但氨在所有氢储存材料中具有最低的比能量成本，进一步突显了其作为氢载体的经济可行性[18]。但需要注意的是，氨被归类为有毒化学物质，通过不同途径、剂量和时间的暴露可能导致对人体健康造成严重不良影响[19]。因此，在处理氨时必须进行精确的危险管理，以确保安全和利用的同时将潜在风险降到最低[20]。
因此，利用氨作为氢原料为实现跨空间和时间的“绿色氢”储存和运输提供了高效的方法，这被广泛认为是通往低碳甚至零碳氢经济的重要途径。然而，关键的科学和工程挑战仍然存在，尤其是在催化过程强化和反应器设计优化方面。在过去的四年（2023-2026年）中，根据Web of Science?的统计（访问日期：2026年1月10日），大约发表了47篇关于“氨分解产氢”的综述文章。搜索条件设置为“主题（氨分解产氢或通过氨分解制氢）、出版年份（2023年或2024年或2025年或2026年）和文档类型（综述文章”）。在高影响力期刊上发表或被引用次数较多的代表性综述文章列在表2中。大多数现有的综述都从不同角度关注氨分解催化剂的设计。尽管一些报告扩展了讨论范围，包括光催化和电催化途径以及反应器设计和系统集成，但对传统热催化氨分解中的工艺强化和反应器耦合的全面总结仍然不足。
与这些综述不同，本综述系统地总结了氨分解的工艺强化策略和反应器技术的最新进展，并对其实现这一有前景途径的工业应用潜力进行了批判性评估。使用Web of Science?的搜索条件（“（‘Ammonia? 或 NH??’ 和 decomposition? 和 hydrogen?）和文档类型（文章”）后发现，大约有7330篇文章被发表（访问数据：2026年1月10日）。本综述在排除了专注于催化剂设计、直接氨燃料电池（DAFCs）、选择性催化还原（SCR）技术和相关主题的研究后进行了总结。
从经典化学工程的角度来看，工艺强化被定义为开发新型设备、反应器设计和操作策略，这些设计可以在保持与传统技术相比的整体工艺性能的同时显著降低设备尺寸与生产能力的比例。这一目标通常通过设备微型化、增强传热和传质、过程集成以及使用非传统驱动力来克服传输或动力学限制等方法实现[31]。然而，应当注意的是，综述中总结的工艺强化技术可能扩展了工艺强化的严格定义，也讨论了在催化剂或反应器段层面的局部动力学增强。
部分摘录
氨分解的反应机理
氨分解产氢本质上是氨合成的反向过程。在金属催化剂存在的情况下，NH?在高温下逐步脱氢形成中间体，如NH?、NH和原子N。这些物质最终重新结合，H和N原子对分别形成H?和N?（图1）。
多年来，研究者普遍认为氨分解的基本步骤主要包括以下过程：
氨分解的工艺强化技术
在氨分解系统中，最近探索了多种新兴技术作为工艺强化的潜在方法。特别是优化能量输入方式的策略，如微波加热、光热耦合、热电协同和等离子辅助过程，受到了越来越多的关注。通过改变能量传输途径并在催化系统中创造更有利于反应的环境，这些方法
氨分解的反应器技术
随着非贵金属催化剂的不断发展，氨分解产氢在降低成本和提高可持续性方面显示出巨大潜力。然而，催化剂性能的改进仍未满足高效率 and 低能耗的双重要求。在此基础上，反应器的结构设计和功能集成成为决定催化剂性能能否充分发挥的关键因素
结论与展望
作为大规模利用氢的重要技术途径，氨分解的特点是反应高度吸热和需要相对较高的活化能。因此，在降低反应温度的同时实现高转化率和选择性成为进一步推动这一技术发展的关键。目前，大量研究集中在催化剂调控和设计上；然而，催化剂材料的改进
CRediT作者贡献声明
唐世杰：撰写——初稿、研究、数据分析。苏志凯：撰写——审稿与编辑。吴一然：撰写——审稿与编辑。刘颖梓：研究。施大鑫：撰写——审稿与编辑、监督。李汉生：撰写——审稿与编辑、监督、方法学。吴钦：监督。陈康成：监督。张瑶媛：撰写——审稿与编辑、监督、方法学、资金获取、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
非常感谢北京工业大学青年学者研究基金计划提供的财务支持。此外，作者还感谢分析与测试中心（北京工业大学）的技术支持。
