突破性剑桥反应器回收99%的气体以生产氢燃料和碳

剑桥大学（University of Cambridge）的研究人员开发了一种方法，通过循环甲烷气体，实现碳纳米管（CNT）和清洁氢燃料的同时生产，并且不产生二氧化碳副产物。该方法使碳纳米管的产量提高了八倍以上，同时还能大量生成清洁氢燃料。

氢气是一种备受关注的燃料，因为它燃烧完全，不产生碳排放。随着各国推动减少化石燃料使用，氢气需求不断上升。然而，目前的氢气生产方法，如蒸汽甲烷重整，会产生一氧化碳等副产物。

剑桥的研究人员关注另一种涉及甲烷的反应，该反应会产生少量氢气作为副产物。这种称为甲烷热解的反应，旨在生产可用于锂离子电池的碳纳米管，这一领域的需求也在不断增加。

剑桥研究人员探讨了如何优化热解反应，以生成大量氢气作为副产物。目前，碳纳米管的生产通常使用流化床或固定床反应器。多年来，研究尝试改用气相催化剂，可生产高质量、较长的碳纳米管，从而在电极中表现更优。该过程称为浮动催化化学气相沉积（FCCVD），使用甲烷，但需要与氢气稀释以防止生成烟灰。

FCCVD的放大存在挑战，因为它从一开始就需要大量氢气。最终反应产生的氢气仅略高于输入量。传统FCCVD使用单通道设计，即甲烷气体进入一次反应器后排出，导致大量浪费。剑桥研究人员决定循环气流，直到所有甲烷被消耗生成CNT，从而消除了额外氢气的需求。

目前，只有一个FCCVD系统在试点规模下使用单通道配置。为了验证多通道系统，研究团队建造了实验室规模的反应器。当气体流经过2372°F（1300°C）的热解反应器时，1%的气体被移除以回收氢气，而碳纳米管则卷到垫子上。气体中还含有其他碳氢化合物和硫化氢，但这些不会影响CNT产量。

使用封闭系统显著减少了反应器产生的废气。与单通道反应器相比，研究团队在论文中报告了“碳产率提升8.7倍，摩尔过程效率提升446倍”。为了评估实际运行情况，研究团队基于商业工厂数据进行了计算机模拟。结果显示，多通道反应器设计可将系统中75%的气体转化为CNT与氢气，比例为3:1。

实验室反应器还可使用甲烷与二氧化碳混合气源，以模拟沼气厂的产出。如果这一方法可以放大，科学家就能同时生产高质量碳纳米管和清洁燃料。

（素材来自：剑桥大学 氢能新闻、新能源网综合）