全球生物质电催化转化技术发展态势分析

生物质电催化转化是利用（可再生）电能驱动的催化过程，旨在温和条件下将生物质高效转化为氢气及高附加值化学品，是实现碳资源循环利用与绿色能源制备的前沿过程强化方向。2025年10月，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）将“电化学二氧化碳捕获与转化”列为年度化学领域十大新兴技术，这进一步凸显了电化学手段在碳资源循环中的重要地位。本文梳理全球生物质电催化转化技术的战略规划、研发热点与产业化态势，解析关键技术挑战，并为我国制定发展路径提出建议。

01

全球战略布局

在全球共同致力于实现《巴黎协定》温控目标的背景下，深度脱碳已成为不可逆转的趋势。生物质电催化转化技术，作为将可再生电力与可持续碳源相结合生产绿色燃料与化学品的核心路径，正从实验室快速走向全球能源与工业战略的竞争前沿。

1、国际组织行动

近年来，全球主要国际组织高度重视生物质资源的高效转化与能源化利用。2025年3月，国际能源署发布《生物质气化制氢》报告，指出目前生物质制氢的成本较高，约4.64美元/千克，可通过技术改进、规模化及优化供应链，有望使成本降至3.48美元/千克以下。报告特别提出为推进该技术的发展，需建立统一的技术标准和可持续性认证体系，并在具有原料和需求优势的地区投资建设规模化生产设施，强化国际合作与知识共享。与此同时，联合国工业发展组织（UNIDO）积极在东南亚、非洲等地区推动示范项目，利用稻壳、甘蔗渣等农业残留物实现资源化利用。2025年6月，世界经济论坛《促进有效能源转型2025》强调国家转型与全球目标对齐，融入生物质策略。2025年9月，国际电化学学会（ISE）举行电催化相关专题研讨会，将电催化生物质转化作为关键话题之一。上述动态表明，生物质电催化转化作为一种极具潜力的过程强化手段，正日益成为弥补传统技术缺陷、实现低成本规模化绿色制氢的重要研发方向。

2、中国

我国已将生物质资源的高效转化利用纳入多项国家级战略规划。在国家顶层设计层面，2022年3月，国家发改委、能源局联合印发的《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》明确提出，将可再生能源制氢作为主要发展方向，并部署开展示范应用，这为发展生物质制氢等低碳技术提供了明确的政策框架。各省市也依据资源禀赋积极布局，如内蒙古、广东、四川等省（区）在“十四五”能源发展规划或相关实施方案中，均将科学发展生物质能、推进农林废弃物、城乡有机垃圾能源化利用等作为重点任务，并规划建设一批资源综合利用示范基地，推动生物质能技术的本地化与产业化应用。

3、美国

美国通过联邦政府主导，由国家实验室与产业界协同推进生物质转化。在氢能领域，2024年12月，能源部（DOE）发布《氢能计划发展规划》已将生物质和废物流制氢列为关键的技术路径之一，其研发重点包括开发生物质气化与重整技术，以及探索微生物辅助电解等创新方法。同月，DOE更新了碳转换计划，投资于研究、开发和示范技术，将捕获的碳氧化物（主要是CO2）转化为价值产品，包括电催化路径。该计划设定了近中长期里程碑，如改进光暴露和CO2输送方法、微生物工程用于非光合生物CO2转化，以及探索微生物电合成和新型化学合成路径。在生物能源领域，2025年1月，DOE生物能源技术办公室（BETO）宣布投入2300万美元，专项支持利用生物质和废物资源生产生物基化学品与燃料（如丙烷）的研发，这些技术明确涉及催化转化路线。2025年6月，为了确保技术研发与市场应用相衔接，环境保护署（EPA）提出2026年和2027年的《可再生燃料标准》（RFS）目标，计划提高生物柴油、先进生物燃料等的年度掺混量。这一强制性市场政策为生物质衍生燃料创造了长期、稳定的需求预期，是驱动技术商业化的重要政策工具。此外，2025年12月，农业部（USDA）也将拓展生物燃料与生物能源的市场列为2026年研发优先事项重点，体现了跨部门的政策协同。

4、欧盟

欧盟及其主要成员国已围绕生物质电催化转化技术，构建起一个多层次、系统化的战略布局。在整体层面，2022年11月，欧盟“地平线欧洲”计划资助ELOBIO等项目，旨在通过木质素等生物质组分的电催化氧化，在低温下联产氢气与高产值化学品。2023年11月，欧盟修订生效的《可再生能源指令》（RED III）建立了强有力的市场需求侧拉动政策，为交通和工业领域设定具有约束力的可再生氢和先进生物燃料使用目标。2024年12月，欧盟碳清除认证框架（CRCF）正式生效，为BECCS（生物能源与碳捕获和封存）、生物炭等负排放技术的环境效益提供统一的质量标准和认证体系，这将从价值认可层面进一步激励生物质转化技术的创新。在成员国层面，德国不仅计划从2026年起在交通领域执行高于欧盟基准的RFNBO（非生物来源可再生燃料）配额，还计划将配额目标延续至2040年；荷兰则利用其鹿特丹港等战略枢纽地位，积极规划大型绿氢项目，旨在成为欧洲的氢能进口和分销中心。

02

生物质电催化转化关键技术与研发进展

当前，生物质电催化转化已进入系统化创新阶段，呈现出多维度协同突破的鲜明特征。主要围绕以下两个核心层面展开：一是催化材料与反应路径的原子/分子级精准设计与创新，旨在从根本上提升转化效率与选择性；二是反应系统与工艺过程的耦合集成与能量优化，致力于推动整个技术链条向经济可行、可持续的工业化方向迈进。

1、催化剂设计创新

生物质催化转化制氢领域的前沿研究已超越对传统镍基催化剂的单一改性，在催化剂原子级结构设计、反应工艺路径及系统集成策略等维度均取得了关键突破。在催化剂精准设计层面，研究重点转向构建多尺度协同的活性位点。2025年4月，中南大学研究团队将镍单原子与纳米团簇集成于同一载体，利用单原子位点对反应分子的高效吸附活化与纳米团簇的优异脱氢能力产生协同效应，在生物乙醇重整中较单一活性位点体系的制氢效率显著提升43.7%，并增强了催化稳定性。在反应路径方面，2026年1月，中国科学院大连化学物理研究所研究团队发展了一种基于双钒氧化还原电对的“离场电催化”新策略，成功实现了反应过程与电荷转移的空间分离。该技术实现了秸秆等固态木质纤维素的电化学直接解聚与定向氧化。在工业化应用系统集成创新方面，2026年1月，中国农科院团队设计了两级反应系统，将生物质蒸汽重整过程产生的生物炭作为预催化床层，用以吸附并裂解大分子焦油，显著减轻了下游镍基催化剂床层的积碳失活问题，使产氢率与催化剂寿命协同提升。这些进展共同标志着该领域正朝着过程集约化、催化精准化和系统集成化的方向纵深发展。

2、反应器创新与工艺优化

在反应器创新与工艺优化层面，前沿研究已从传统的物理结构改进，深化为反应器、催化剂与生物体系的融合设计与系统能量优化。在反应器设计方面，2025年7月，东北大学研究团队设计具有有序结构的金属间合金纳米生物催化剂（LPBC），该LPBC催化剂兼具高导电性与转录激活功能，能定向优化微生物胞内的电子传递路径，从而将产氢速率提升约103%，并在长期循环中保持稳定，实现生物催化效率的突破。在反应过程电化学耦合方面，2024年3月，陕西科技大学研究团队通过构建葡萄糖转化耦合制氢系统，仅需1.55伏特的低电压即可驱动，显著降低了能耗门槛。2025年10月，广东工业大学研究团队开发了将发电与制氢过程耦合的液流燃料电池，在室温下运行，成功构建了化学能自供给的电解体系，利用生物质氧化释放的化学能抵消电解能耗，实现了极低电压下的绿氢生产。在集成系统经济性方面，2025年11月，中国农业大学研究团队采用光伏驱动生物质制甲酸耦合产氢的体系，可将绿氢生产成本估算降至1.54美元/千克。这些进展共同表明，通过巧妙的反应耦合与系统集成，在提升能量效率的同时兼顾经济可行性，已成为该领域明确的发展趋势。

03

对我启示

我国生物质电催化转化技术领域面临多重挑战，一是关键材料依赖进口，催化剂、膜电极等核心部件国产化率有待大幅提升；二是系统集成技术积累薄弱，电催化—热化学多过程耦合能效偏低；三是跨部门协调机制不完善，技术标准与评价体系尚未建立。基于此，提出如下对策建议：

1、完善顶层设计与技术创新体系

制定国家层面的生物质电催化转化专项技术发展路线图，明确2030年、2035年的阶段性技术突破与产业化目标。依托并强化催化科学、可再生能源技术等现有国家重点研发计划重点专项，设立针对该方向的项目集群，持续支持高效催化剂、新型反应器、智能系统集成等关键核心技术研发，优先支持将已取得实验室突破的电催化—生物质转化技术，如生物质制甲酸耦合产氢技术进行工程放大，加速技术从实验室走向规模化商业验证。

2、提升关键材料与装备的保障能力

针对催化剂、膜电极等对外依存度高的核心材料，重点攻关抗毒化非贵金属催化剂及适配大分子扩散的新型膜电极。依托国家能源集团等正在建设的国家级氢能测试平台，支持扩充生物质原料适应性、电催化系统耦合等特色测试能力，建立从材料研发、器件测试到系统验证的一体化公共测试平台。同时，积极推动将电催化—生物质转化成套装备、专用反应器纳入《首台（套）重大技术装备推广应用指导目录》，并落实和完善首台（套）保险补偿政策，鼓励下游应用企业采购国产化装备与材料，全面提升产业链自主可控水平。

3、加快构建产业标准认证体系

在标准与市场层面，加快构建与国际接轨且符合国情的生物质可持续性认证体系，如依托中国质量认证中心（CQC）推广ISCC等认证，研制覆盖绿氢、绿醇等衍生产品的全生命周期碳足迹核算方法学及生物质可持续性认证体系，以衔接已发布的可再生能源电解水制氢CCER方法学，为产品进入国内碳市场与国际绿色贸易提供权威依据。