2026年中考化学专题复习教学素材：甲烷催化重整制氢技术

【教学素材】 甲烷催化重整制氢技术 湖北省石首市文峰初级中学 刘涛（正高级教师） 【知识链接】“甲烷催化重整制氢”技术是指以甲烷为主要原料，在催化剂作用下，通过与水蒸气、二氧化碳或氧气等介质进行化学反应，从而制备氢气（或同时生成一氧化碳形成合成气）的工艺过程。 一、甲烷催化重整制氢技术的类型：根据所用反应介质的不同，主要可分为以下几种路线： （1）甲烷水蒸气重整（SMR）：这是目前最成熟、应用最广泛的工艺。甲烷与水蒸气在高温（通常700～850℃）和催化剂（常用镍基催化剂）作用下反应，生成氢气和一氧化碳。其核心反应的化学方程式为CH4＋H2O⇌CO＋3H2。该技术成熟度高、效率高，但能耗高且伴随二氧化碳排放。 （2）甲烷二氧化碳重整（DMR）：也称为甲烷干重整，利用甲烷和二氧化碳两种温室气体反应生成合成气。其核心反应的化学方程式为CH4＋CO⇌2CO＋2H2。此路线具有环保意义，可实现二氧化碳的资源化利用，但面临催化剂易积碳和热力学平衡限制等挑战。 （3）甲烷自热重整：该工艺结合了部分氧化（放热）和水蒸气重整（吸热），通过向反应体系通入适量氧气，利用部分氧化反应释放的热量供给重整反应，从而实现体系自供热，降低外部能耗。其反应器出口温度通常在950～1100℃，且‌碳捕集效率较高（约95%），适合用于生产“蓝氢”。 （4）其他重整路线：还包括甲烷部分氧化以及新兴的甲烷硫化氢重整等。后者相比常见路线能产生更多摩尔当量的氢气，并可直接利用酸性天然气矿，但反应热力学上更为困难。 二、甲烷催化重整制氢技术的催化剂： 催化剂是甲烷重整反应的核心，其性能直接决定了反应的效率、选择性和稳定性。 （1）传统与常用催化剂：工业上广泛应用的是镍基催化剂，因其成本较低且活性高，但在高温下容易面临积碳、烧结和中毒等问题。 （2）新型催化剂研发：为了提升性能，研究者们致力于开发新型催化剂。 【情景创设】阅读下列科普短文，回答问题。 氢气被看作是理想的“绿色能源”，氢气的制备和储存是目前的研究热点。甲烷是非常重要的化工原料，利用甲烷催化重整技术可制备多种化工品和能源品。 （1）甲烷、硫化氢催化重整新路线可高效制氢，其反应微观示意图如图，有关说法正确的是 （填字母序号） A．该反应属于置换反应 B．参加反应的甲、乙的分子个数比为1∶1 C．反应前后分子种类改变，原子种类不变 D．反应过程中氢元素的化合价不变 （2）甲烷水蒸气催化重整是制高纯氢的方法之一，主要流程如下： ①用CaO可以将CO2除去转化为CaCO3，该反应的基本类型为 反应。 ②H2体积分数和CaO消耗率随时间变化关系如图1所示。从t1时开始，H2体积分数显著降低，单位时间CaO消耗率 （填“升高”“降低”或“不变”）。此时CaO消耗率约为35%，但已失效，结合反应解释原因 。 （3）甲烷催化重整制氢的微观过程示意图如图所示。 ①该反应的化学方程式是 ，反应前后不变的微观粒子是 。 ②已知：CaO＋CO2＝CaCO3（反应放热）。向该重整制氢体系中加入适量疏松多孔的CaO，其优点是 。 （4）利用甲烷催化制取氢气。一种甲烷水蒸气催化制氢的透氢膜反应器如图所示，通入的甲烷和水蒸气在高温和催化剂作用下反应生成一氧化碳和氢气，该反应过程吸热，产生的一部分氢气会通过透氢膜与膜外侧通入的氧气反应。 ①利用甲烷和水蒸气反应生成一氧化碳和氢气，该反应属于 （填“吸热”或“放热”）反应。 ②在反应器的膜外侧通入氧气的主要目的是 。 （5）甲烷化学链制氢①“燃料反应器”中，发生的反应为： 3CH4＋4Fe2O3 8Fe＋3CO2↑＋6H2O，反应过程中铁元素的化合价 （填“升高”“降低”或“不变”）。 ②Fe3O4经过“空气反应器”后固体中氧元素的质量分数 （填“变大”“变小”或“不变”）。 ③如图是采用不同载氧体制氢时H2产量和纯度对比图，对比Fe2O3，能同时提高H2产量和纯度的载氧体是 （选填字母）。 A．Fe2O3—Ni B． Fe2O3—Ce C．Fe2O3—Zn D．Fe2O3—Cu 参考答案 （1）C； （2）①化合；②降低；生成的碳酸钙覆盖在氧化钙表面，阻碍了二氧化碳与氧化钙的继续进行； （3）①CH4＋2H2O CO2＋4H2；碳原子、氢原子、氧原子；②提高氢气的产率,能为甲烷催化重整制氢的反应提供热量，节约能源； （4）①吸热；②氢气与氧气反应放热，为制氢提供热量； （5）①降低；②变大；③D； 高温 学科网（北京）股份有限公司 $