我国破解天然气制氢与积碳难题，氢能产业迎来关键突破

引言

在全球能源转型加速、“双碳”目标纵深推进的时代背景下，氢能凭借清洁、高效、可存储、可运输等优势，成为各国争夺未来能源战略制高点的核心赛道。天然气制氢因原料易得、成本可控、技术成熟，长期占据全球制氢工艺的主流地位，是当前工业用氢与氢能规模化发展的重要支撑。然而，传统天然气制氢过程中伴随大量二氧化碳排放，且催化反应极易产生积碳，导致催化剂失活、设备堵塞、效率骤降、寿命缩短，成为制约氢能清洁化、低成本、长周期稳定运行的世界性难题。

近日，我国科研团队联合攻关，在国际顶级材料期刊发表重磅成果，原创性提出镍原子晶格分离新策略，从根源破解天然气制氢与燃料电池积碳两大核心瓶颈，同步实现高效制氢、零碳近零排放、碳产物高值化三重目标。这一突破不仅标志着我国在天然气绿色制氢领域走在全球前列，更为氢能规模化应用、燃料电池商业化、能源结构低碳转型提供了从实验室走向产业化的关键支撑，对保障国家能源安全、实现“双碳”目标具有里程碑式意义。

一、产业痛点：天然气制氢的“卡脖子”困境

全球约一半以上的氢气来自天然气重整制氢，我国工业用氢结构中天然气制氢也占据重要比例。传统工艺以甲烷水蒸气重整为核心，在高温、催化剂作用下将天然气转化为氢气与一氧化碳，后续经水煤气变换提升氢纯度。这套工艺已沿用数十年，却存在三大致命短板，长期困扰全球产业界与科研界。

第一，碳排放强度高。传统天然气制氢每生产1公斤氢气，排放约9–12公斤二氧化碳，是典型的高排放路径。在全球碳管控日趋严格的背景下，高碳排放直接抬高企业合规成本，限制产业扩张空间，与绿色低碳发展方向相悖。

第二，积碳问题无解。在高温催化与碳氢燃料直接利用过程中，甲烷易发生裂解、歧化反应，生成固态碳覆盖催化剂活性位点、堵塞反应器通道、附着在燃料电池阳极表面，导致催化剂快速失活、设备效率衰减、系统停机频繁。积碳被公认为天然气制氢与固体氧化物燃料电池（SOFC）商业化的“头号杀手”。

第三，经济性与稳定性难以兼顾。传统抗积碳手段多采用高温、通氧烧碳、添加助剂、频繁再生等方式，不仅增加能耗与运维成本，还会降低设备寿命与氢纯度，导致“能制氢但不稳、能稳定但不清洁、能清洁但太贵”的行业怪圈。

可以说，谁能破解天然气制氢清洁化、抗积碳、低成本三大难题，谁就掌握了下一代氢能技术的话语权。长期以来，全球顶尖机构围绕催化剂改性、反应路径优化、结构设计创新持续攻关，但始终未能从根源上实现“制氢不积碳、产氢近零碳”的理想状态。而这一困扰世界的难题，如今被中国团队率先打破。

二、中国突破：原子级创新，从根源终结积碳难题

此次由西北工业大学、北京大学联合马丁院士、王恩哥院士团队完成的重大突破，以“镍原子晶格分离”为核心创新，在固体氧化物燃料电池（SOFC） 体系内实现天然气原位高效制氢，从物理机制上根除积碳，同步实现氢碳分离与高值化利用。

（一）核心原理：氢碳定向分离，从源头杜绝积碳

研究团队突破传统化学催化思路，开创原子尺度空间解耦、氢碳定向迁移分离新机制：

- 利用镍基材料特殊晶格结构，实现氢原子与碳原子的高效、有序、物理分离；

- 天然气中的甲烷在反应区被定向转化，氢原子快速渗透传输，形成高纯富氢燃料供给燃料电池；

- 碳原子被限制在特定区域并有序结晶，不再覆盖催化剂、不再附着电极表面，从根源杜绝积碳生成。

实验数据显示，经该技术处理后，出口气体中甲烷含量由93.5%降至0.2%以下，燃料深度脱碳转化，彻底消除积碳前驱体，保障系统长期稳定运行。

（二）三重革命性优势

1. 根治积碳，实现长周期稳定运行

不同于传统“防积碳、抑积碳”的被动思路，我国技术实现主动分离、物理隔离，让碳“去该去的地方”，不污染催化剂、不堵塞流道、不损伤电极，使天然气直接驱动SOFC从“不可持续”变为“长期可靠”，打通燃料电池商业化最后一道障碍。

2. 近零碳排放，碳产物高值化

反应过程无大量二氧化碳排放，分离出的碳并非废料，而是定向转化为高纯度单晶石墨烯，杂质含量低、晶体质量优异，可直接用于新材料、电子、储能、航空等高端领域，实现“一变二”增值：产气卖氢、固碳卖材，大幅提升全流程经济性，让绿色制氢从“成本项”变为“盈利项”。

3. 系统高度集成，适配分布式能源

技术可与SOFC高效耦合，实现天然气—制氢—发电一体化，能量梯级利用、闭环运行，特别适合分布式电站、工业园区、偏远地区、数据中心、船舶、车载电源等场景，为天然气清洁高效利用提供全新方案。

（三）技术定位：全球首创、根本解决、可产业化

该成果发表于材料领域顶刊《Advanced Materials》，标志着原创性、科学性与可行性获得国际权威认可。与国际同类路线相比，我国技术首次实现原子级分离+无积碳运行+碳高值化三位一体，不是改良、不是优化，而是原理性颠覆、根本性解决，为全球天然气制氢与燃料电池发展提供中国方案。

三、技术矩阵：多点开花，我国绿色制氢全面领跑

此次原子晶格分离抗积碳突破并非孤立成果，而是我国在天然气绿色制氢领域体系化攻关、多点突破、集群领先的集中体现。近年来，我国已形成多条原创技术路线，共同构建起清洁、高效、低成本的天然气制氢技术生态。

（一）甲烷无氧裂解制氢：零排放、氢碳双高值

以上海团队、四川雅安示范项目为代表，我国在液态金属催化、熔融盐催化、焦耳热裂解等方向实现突破：

- 无氧环境下将甲烷直接分解为高纯氢气+高纯度石墨/碳纳米管/石墨烯；

- 反应唯一产物为氢与固态碳，不产生二氧化碳，真正实现零碳制氢；

- 氢纯度可达99.99%以上，碳材料价值可观，成本显著优于电解水制氢。

（二）化学链与干重整技术：低能耗、高转化

中科院大连化物所、工程热物理所、石科院等机构在甲烷干重整、化学链制氢、电—热耦合催化、太阳能辅助制氢等方向持续突破，实现转化率超95%、连续稳定运行超300小时无失活，为大规模工业制氢提供低碳选项。

（三）分布式制氢：就近产氢、就地用氢

针对加氢站、工厂、社区等场景，我国已开发小型化、模块化、智能化天然气分布式制氢系统，实现就近产气、就近供氢、减少储运，大幅降低氢能供应链成本与安全风险，推动氢能“走进千行百业”。

多点突破背后，是我国在催化材料、反应工程、装备制造、系统集成全链条能力的提升，形成“基础研究引领、应用技术跟进、工程示范落地”的良性创新生态。

四、战略价值：能源安全、双碳目标、产业升级三重赋能

我国破解天然气制氢与积碳难题，不仅是一项科技突破，更是一场能源战略、产业格局、生态价值的深层变革，将对我国中长期发展产生深远影响。

（一）保障国家能源安全，提升能源自主可控力

我国天然气资源具备一定基础，同时海外进口通道多元。绿色天然气制氢可在不依赖大规模风光电解的前提下，快速提升氢能供给能力，形成煤制氢兜底、天然气制氢补充、绿氢引领的多元制氢结构，降低对单一能源与外部供应链的依赖，增强能源系统韧性与安全底线。

（二）助力“双碳”目标，推动工业与能源深度脱碳

传统天然气制氢是高排放环节，积碳难题解决后，近零/零碳天然气制氢可广泛用于化工、冶金、电子、交通、发电等领域，替代高碳工艺与化石能源直接燃烧：

- 助力钢铁行业氢冶金转型，告别高炉高排放；

- 支撑燃料电池汽车、分布式电站清洁运行；

- 为工业园区提供低碳热力、电力、氢气三联供。

在难以电气化领域，氢能将成为脱碳主力。

（三）激活氢能全产业链，打造万亿级新质生产力

积碳与清洁化问题解决后，SOFC燃料电池、天然气分布式制氢、氢电联产、氢碳联产将进入商业化爆发期：

- 上游：催化剂、特种材料、反应器、检测控制装备需求激增；

- 中游：制氢、提纯、存储、加注成本大幅下降；

- 下游：发电、交通、工业、船舶、航空应用全面打开。

技术突破将带动材料、装备、能源、化工、新材料跨界融合，形成具有全球竞争力的氢能产业集群，成为新质生产力重要增长极。

（四）抢占国际技术高地，输出中国标准与方案

在全球能源转型与碳中和竞赛中，氢能技术是大国科技竞争焦点。我国率先实现天然气制氢与积碳难题根源性突破，意味着：

- 掌握核心专利与知识产权，形成技术壁垒；

- 引领下一代绿色制氢、燃料电池技术路线；

- 具备向全球输出技术、装备、标准与服务的能力；

- 提升我国在全球能源治理、气候治理中的话语权。

五、未来展望：从实验室到产业化，中国氢能加速前行

一项重大技术的价值，最终要在产业落地中兑现。当前，我国天然气绿色制氢技术正处于从实验室突破向工业化示范、规模化应用跨越的关键窗口期。

短期来看，科研团队将围绕催化剂寿命、系统集成优化、工况适应性、成本下探持续迭代，推进千瓦级—兆瓦级SOFC氢电联产系统示范，验证长期可靠性与经济性。

中期来看，零碳甲烷裂解制氢、分布式天然气制氢、一体化燃料电池电站将在工业园区、加氢站、数据中心、偏远地区落地，形成可复制、可推广的商业模式。

长期来看，随着技术成熟、规模扩大、配套完善，绿色天然气制氢将与风光电解水制氢协同互补，构建低成本、低碳排、高可靠的氢能供给体系，支撑我国实现能源清洁低碳转型，助力“2030碳达峰、2060碳中和”庄严承诺。

结语

从“卡脖子”困境到全球领跑，从原理探索到产业赋能，我国破解天然气制氢与积碳难题，是基础研究原创力、工程技术攻坚力、产业生态协同力的集中展现。这不仅是中国科技工作者献给世界的创新答案，更是我国迈向能源强国、科技强国、制造强国的坚实一步。

氢能的时代大幕已经拉开，绿色低碳的浪潮势不可挡。以此次突破为起点，我国将持续深耕氢能核心技术，完善产业链供应链，推动能源结构深度变革，让清洁氢能走进千家万户、赋能千行百业，为建设美丽中国、保障全球能源安全、应对气候变化贡献中国智慧与中国力量。

面向未来，一个更清洁、更安全、更高效、更繁荣的能源新时代，正随着中国氢能技术的突破加速到来。