在能源与环境问题日益严重的今天,愈发的强调能源与环境的协同发展。氢能的高效制备与利用是当前国际发展与国家发展的重要前沿方向,全球的主要国家都高度重视氢能的发展,甚至将其上升到国家战略的高度。在国家的整体能源系统中,氢能也成为了未来国家能源战略与能源规划中重点研究的内容。化石燃料在未来的一段时间内仍然是能源体系中的重要组成部分,因此实现以天然气为主的化石燃料向氢能的高效转化则对目前发展清洁能源体系具有重要的意义。然而传统的天然气制氢方式不仅存在反应温度高、反应能耗大、能量转化效率低以及碳排放等方面的问题,因此需要发展型的天然气制氢方式。化学链制氢则是一种具有发展潜力的制氢方法。本论文围绕天然气的化学链制氢反应过程,对其能量转化与反应机理进行分析,对其反应性能进行实验研究,并在其基础上提出进一步降低反应温度的反应分离一体化的水基化学链制氢方法,开展在中温下实现天然气向氢气的高效转化的机理与实验研究。以化学能的综合梯级利用原理为基础,分析制氢反应过程的物质（?）、吉布斯自由能与物理（?）之间的相互关系,建立起制氢过程的能量转化特性方程,发现若要提高反应过程向产物中转化的化学（?）,则要尽可能地降低反应过程（?）损失和物理（?）转化。对比天然气化学链制氢过程与天然气重整制氢过程,发现化学链方法在降低反应温度的同时,能够有效的减小制氢过程的（?）损失和产物中物理（?）的占比,使得化学（?）的转化在反应过程的整体（?）变化中的份额得到提升。基于化学反应平衡原理,发现采用反应分离一体化的水基化学链制氢方法能够进一步的在降低制氢温度的同时提高天然气向氢气的转化性能,获得更好的能源利用效率。针对化学链反应过程,利用本团队研制的多孔蜂窝型化学链反应器进行相关的实验研究。对于该反应器内的化学链反应过程,我们提出使用两段式的动力学模型进行描述。两段式模型被分为两个阶段,分别为第一阶段的类均相模型和第二阶段的类未反应核收缩模型。通过实验对反应过程的动力学特征参数和反应速率方程进行计算与分析后可以发现,两段式模型与多孔蜂窝型反应器内的化学链反应过程能够很好的匹配,且所得到的反应速率方程与实验结果较为吻合。在该反应器内对天然气的化学链制氢过程的反应性能也进行实验研究,在600℃的反应温度下,能够实现90%以上的天然气转化率。对反应过程进行分析可以看出,反应的氧传递速率过快会导致CH4被彻底氧化生成CO2和水,随着载氧体含氧量的下降或天然气摩尔量的增大,反应出口的H2的浓度会得到有效提升。与非蜂窝型固定床反应器的相关实验对比,结果表明在最佳反应区间内本研究所进行的实验能够在反应温度相对更低的条件下,实现CH4转化率20个百分点的提升,有效产物出口浓度10个百分点的提升。另外在连续30个循环反应过程中没有发生反应性能的衰减,载氧体表面也未出现烧结与结构变化,载氧体的循环稳定性较好。在天然气化学链制氢实验的基础上,为了进一步探索在更低反应温度下天然气制氢的可行性,提出了采用反应分离一体化的水基化学链制氢方法。通过反应平衡计算可以看出,该方法相较于天然气化学链制氢过程能够在降低反应平衡温度的同时提升天然气的转化性能。以Li4SiO4作为CO2吸附剂,在反应器对该反应过程进行实验验证,突破性的将反应温度设定在420℃,远低于已有研究的实验温度。实验结果表明在经过5次还原-吸附循环反应后,能够实现CH4接近40%的转化,反应出口 H2浓度超过50%。这表明该方法能够有效地降低制氢反应过程的温度,同时实现CO2在反应过程中的分离,避免了后续气体产物的分离过程。该研究为后续的中温天然气化学链制氢研究提供了新的思路与方向,也奠定了理论与实验基础。