斯科尔科沃理工学院的研究人员开发出一种在天然气田直接生产氢气的方法，通过注入蒸汽、催化剂和氧气来触发地下的燃烧反应，效率高达45%。这一创新工艺将碳排放封存在储层中，为从源头获取氢燃料提供了一种更清洁、可扩展的途径。

这种催化剂辅助反应生成氢气和一氧化碳的混合物，并可从中高效分离氢气。这项突破性成果发表在《燃料》杂志上，并得到了俄罗斯科学基金会（RSF）的资助，为大规模从氢气源头生产氢气迈出了充满希望的一步。

如今，全球约80%的能源来自石油和天然气等化石燃料，这些燃料燃烧时会排放二氧化碳，加剧气候变化和环境恶化。尽管天然气通常被视为一种更清洁的化石燃料，因为其有毒污染物排放量低于石油，但它仍然会产生大量的二氧化碳。

气田制氢过程。图片来源：Mukhina 等人/Fuel，2024

相比之下，氢燃料在使用过程中仅排放水蒸气，因此是一种更清洁的替代能源。然而，氢气生产过程中的挑战限制了其广泛应用。斯科尔科沃科技学院的新方法或许有助于克服这些障碍，加速向清洁能源的转变。

莫斯科斯科尔科沃科学技术学院的研究团队首次提出从天然气田储层中提取氢气的方案。天然气田储层富含碳氢化合物，这些碳氢化合物在分子水平上含有大量的氢。这意味着碳氢化合物一旦转化，就能产生大量的“绿色”燃料。

团队正在实验室反应堆内观察实验。图片来源：Elena Mukhina

该团队提出了一种高效的多步骤工艺，用于从气田中生产氢气。首先，将蒸汽和催化剂注入气井，催化剂随后有助于将氢气从天然气成分中分离出来。然后，泵入空气或纯氧，直接点燃储层中的气体。在蒸汽和催化剂的帮助下，天然气燃烧并转化为一氧化碳和氢气的混合物。

一氧化碳形成的二氧化碳会留在储层中，不会造成温室效应。在最后阶段，氢气会通过一层阻挡其他燃烧产物的膜从井中被提取出来，而一氧化碳和二氧化碳则会被永久地封存在地下。

研究人员在模拟真实气藏环境的实验室反应器中测试了他们的工艺。他们将碎石放入反应器，然后泵入甲烷（天然气的主要成分）、蒸汽和催化剂，最后注入氧气。反应器内的压力保持在气藏的典型水平（比大气压高80倍）。

随着实验的进展，团队分析了反应器内气体的成分，以评估甲烷转化为氢气的效率。结果表明，大部分氢气（占总气体体积的45%）是在800°C下形成的，并且反应器中注入了大量蒸汽。为了使反应尽可能高效，蒸汽量应是天然气的四倍。研究人员之所以选择800°C，是因为天然气燃烧时很容易达到这一温度，而且无需人工维持。

氢气产率也取决于岩石的成分。例如，在使用多孔氧化铝的实验中，氢气产率达到了55%。这种情况下更高的效率是由于氧化铝具有惰性，即它不与周围元素发生反应。天然岩石中含有其他更活泼的矿物，它们可以与气体混合物的成分发生反应，从而影响氢气产率。

“该工艺的所有阶段均基于成熟的技术，这些技术此前从未被应用于从真实气藏中制氢。我们已经证明，我们的方法可以在现场环境中将碳氢化合物转化为‘绿色’燃料，效率高达45%。未来，我们计划在真实的气田中测试我们的方法，”斯科尔科沃科技学院（Skoltech Petroleum）高级研究员、RSF资助项目负责人埃琳娜·穆希娜（Elena Mukhina）博士说道。

编译自/ScitechDaily