斯科尔科沃科学技术研究院 (Skoltech) 的科学家们发明了一种高效方法，可从天然气田中提取氢气，同时将碳排放封存在地下，这可能为清洁能源的生产带来一场革命。

斯科尔科沃科技学院的研究人员开发了一种方法，可在天然气田以45%的效率直接生产氢气。该过程涉及将蒸汽和催化剂注入气井中，然后加入氧气引发燃烧。

该催化剂辅助反应会产生氢气和一氧化碳的混合物，可从中高效分离出氢气。该突破性成果已发表在《燃料》杂志上，并得到了俄罗斯科学基金会 (RSF) 的资助，为实现源头大规模制氢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。尽管与石油相比，天然气因排放的有毒污染物较少而常被视为一种更清洁的化石燃料，但其产生的二氧化碳量仍然相当可观。

相比之下，氢燃料在使用过程中只排放水蒸气，是一种更清洁的替代能源。然而，氢气生产方面的挑战限制了其广泛应用。斯科尔科沃科学技术研究院（Skoltech）的新方法有助于克服这些障碍，并加速向清洁能源的转型。

一种新型的原位制氢方法

莫斯科斯科尔科沃科学与技术研究所 (Skolkovo Institute of Science and Technology) 的一个团队首次提出从天然气田的气库中提取氢气，这些气库富含烃类，在分子层面含有大量氢气。这意味着，烃类一旦转化，就可以产生大量“绿色”燃料。

该团队已提出一种高效的多步骤工艺，用于从气田生产氢气。首先，向井中注入蒸汽和催化剂，催化剂稍后会帮助将氢气从天然气组分中分离出来。然后，泵入空气或纯氧，直接在储层中点燃天然气。在蒸汽和催化剂的辅助下，天然气燃烧并转化为一氧化碳和氢气的混合物。

由一氧化碳转化而成的二氧化碳会留在水库中，不会加剧温室效应。在最后阶段，氢气会通过阻挡其他燃烧产物的膜从井中提取出来，而一氧化碳和二氧化碳则会永久地留在地下。

实验室测试与反应堆模拟

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。他们将碎岩放入反应器中，然后注入甲烷（天然气的主要成分）、蒸汽和催化剂，接着注入氧气。反应器内的压力保持在气藏的典型水平（比大气压高80倍）。

随着实验的推进，团队分析了反应器中气体的成分，以评估甲烷转化为氢气的效率。结果表明，在800℃且向反应器中注入大量水蒸气的情况下，大部分氢气（占总气体体积的45%）生成。为了使反应尽可能高效，水蒸气应是天然气的四倍。研究人员选择800℃是因为该温度在天然气燃烧中容易达到，且无需人为维持。

氢气的产量还取决于岩石的组成。例如，在多孔氧化铝的实验中，氢气的产量达到了55%。这种情况下效率较高的原因是氧化铝具有惰性，即它不会与周围的元素发生反应。天然岩石含有其他更活跃的矿物，这些矿物可能与气体混合物的成分发生反应，从而影响氢气的产量。

“该过程的所有阶段均基于已成熟的技术，而这些技术此前尚未被用于从真实气藏中制氢。我们已经证明，我们的方法能够在野外环境中以高达45%的效率将烃类转化为‘绿色’燃料。在未来，我们计划在实际气田测试我们的方法，”斯科尔科沃科学技术研究院（Skoltech）石油领域的高级研究科学家、俄罗斯科学基金会（RSF）支持项目的负责人叶莲娜·穆赫娜（Elena Mukhina）博士表示。

参考文献：《天然气藏中氢气合成的新方法》，作者：叶莲娜·穆赫金娜、帕维尔·阿法纳西耶夫、阿丽娅·穆哈默特迪诺娃、塔季扬娜·阿列克欣娜、艾斯鲁·阿斯卡洛娃、叶夫根尼·波波夫和阿列克谢·切雷米辛，发表于《Fuel》期刊，2024年5月4日。DOI：10.1016/j.fuel.2024.131758