在全球努力將氣溫上升控制在1.5℃以內(nèi)的大背景下，實現(xiàn)溫室氣體凈零排放成為各國的重要目標(biāo)。目前，化石燃料的開采、提煉、運(yùn)輸和燃燒所產(chǎn)生的溫室氣體排放占全球總量的70%以上，因此，向低碳能源轉(zhuǎn)型迫在眉睫。氫氣作為一種極具潛力的零排放能源載體，在難以電氣化的行業(yè)，如重工業(yè)、寒冷地區(qū)的空間供暖和重型運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
當(dāng)前，全球每年生產(chǎn)超7500萬噸純氫以及4500萬噸含氫氣體混合物，主要用于工業(yè)原料領(lǐng)域。其中，天然氣重整是最主要的制氫方法，約占全球年制氫量的75%，但該過程會釋放大量二氧化碳，所產(chǎn)生的“灰氫”每千克氫氣伴隨9-10千克二氧化碳排放。為了減少碳排放，“藍(lán)氫”應(yīng)運(yùn)而生，即通過天然氣重整結(jié)合碳捕獲與利用/存儲（CCUS）技術(shù)生產(chǎn)氫氣，但該技術(shù)面臨著成本高、運(yùn)輸復(fù)雜等問題。另一種制氫方式是水電解，能產(chǎn)生“綠氫”，但目前其在全球制氫總量中的占比不足0.1%。
圖1.氫在零碳未來中的潛在應(yīng)用.
在這樣的背景下，甲烷熱解制氫技術(shù)逐漸受到關(guān)注。該技術(shù)將甲烷分解為氫氣和固體碳（CH? → C + 2H?），整個過程不產(chǎn)生二氧化碳，所制得的氫氣被稱為“綠松石氫”。而且，產(chǎn)生的固體碳可用于生產(chǎn)橡膠輪胎、涂料，或作為土壤改良劑，甚至還能用于制造碳纖維、石墨烯等，具有廣泛的應(yīng)用前景。
1 催化甲烷熱解
催化甲烷熱解的反應(yīng)機(jī)制主要有分子吸附機(jī)制和解離吸附機(jī)制。在分子吸附機(jī)制中，甲烷先吸附在催化劑表面，然后通過一系列表面脫氫反應(yīng)逐步解離；在解離吸附機(jī)制中，甲烷在催化活性位點(diǎn)吸附時直接解離生成化學(xué)吸附的CH?和H碎片。
圖2.(a)分子吸附機(jī)理；(b)甲烷催化熱解的解離吸附機(jī)理.
在催化劑方面，金屬催化劑如Ni、Co、Fe等備受關(guān)注。Ni初始活性高，但易因積碳和中毒而失活；Co成本高且有毒；Fe相對廉價且無毒，穩(wěn)定性較好。為了提高催化劑性能，研究人員嘗試將不同金屬組合使用，如Ni-Fe、Ni-Cu等。除金屬催化劑外，碳基催化劑如活性炭、炭黑等也可用于甲烷熱解，它們具有抗積碳中毒、成本低、抗硫中毒等優(yōu)點(diǎn)。
催化劑的再生也是催化甲烷熱解中的重要環(huán)節(jié)。當(dāng)催化劑表面被碳覆蓋而失活時，常用O?、H?O和CO?對碳進(jìn)行燃燒或氣化來再生催化劑。
2 非催化甲烷熱解
非催化甲烷熱解由于C-H鍵較強(qiáng)，需要超過927℃的高溫，反應(yīng)會基于溫度和停留時間產(chǎn)生多種產(chǎn)物，如H?、C?H?、C?H?等。其反應(yīng)機(jī)制一般認(rèn)為涉及自由基反應(yīng)，主要的反應(yīng)步驟是甲烷解離為甲基自由基和氫原子。
微波甲烷熱解是利用微波作為熱源的一種非催化甲烷熱解方法。微波能直接作用于反應(yīng)介質(zhì)，實現(xiàn)體積加熱，具有能量傳輸效率高、氫氣不吸收微波輻射等優(yōu)點(diǎn)。等離子體甲烷熱解是目前最先進(jìn)的甲烷熱解技術(shù)，技術(shù)成熟度較高，已在中試規(guī)模得到成功示范。
圖3.微波驅(qū)動甲烷分解.
光熱催化作為一種新興的技術(shù)，在甲烷熱解中展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用前景。光熱催化甲烷熱解結(jié)合光催化和熱催化的協(xié)同效應(yīng)，利用光能激發(fā)催化劑產(chǎn)生活性位點(diǎn)并產(chǎn)生局部高溫，從而在較低整體溫度下實現(xiàn)甲烷高效分解為氫氣和碳。其核心優(yōu)勢在于：
降低能耗：通過光能替代部分熱能輸入，減少傳統(tǒng)熱解所需的高溫；
增強(qiáng)反應(yīng)動力學(xué)：光生熱效應(yīng)（光熱轉(zhuǎn)換）與光生電荷（光催化）共同促進(jìn)C-H鍵斷裂；
調(diào)控產(chǎn)物選擇性：光激發(fā)可抑制副反應(yīng)（如C?+烴生成），提高H?純度。
基于此，泊菲萊科技推出的PLR-RP/RT 系列光熱/（熱）催化反應(yīng)評價裝置為系統(tǒng)研究光熱/熱催化反應(yīng)提供了平臺。PLR-RP系列光熱催化反應(yīng)評價裝置創(chuàng)新的石英柱導(dǎo)光方式以及反應(yīng)器設(shè)計，提高了光源的輻照效率以及催化劑的吸光面積，滿足光熱協(xié)同催化下氣固相反應(yīng)的需求。PLR-RT系列催化反應(yīng)評價裝置精準(zhǔn)的溫度和壓力控制體系能保證每次反應(yīng)的重復(fù)性，實時的壓力和溫度監(jiān)控能更好的還原化工反應(yīng)過程，滿足常規(guī)氣固相催化反應(yīng)的需求。(咨詢電話：400-1161-365)
甲烷熱解技術(shù)作為一種有前景的制氫方法，相比傳統(tǒng)制氫方式，能顯著減少溫室氣體排放，與現(xiàn)有天然氣基礎(chǔ)設(shè)施的整合也具有優(yōu)勢。然而，該技術(shù)在規(guī)模化、市場匹配、成本和政策等方面仍面臨挑戰(zhàn)。未來，需要進(jìn)一步研究和創(chuàng)新，優(yōu)化催化劑設(shè)計以提高其抗積碳性能和壽命，探索新型反應(yīng)器設(shè)計以提高生產(chǎn)效率，開發(fā)碳副產(chǎn)物的高價值應(yīng)用，同時，政府和行業(yè)需要共同努力，推動甲烷熱解技術(shù)的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，為實現(xiàn)全球凈零排放目標(biāo)貢獻(xiàn)力量。
本文參考文獻(xiàn)：
Alireza Lotfollahzade Moghaddam, Sohrab Hejazi, Moslem Fattahi, Md Golam Kibria*, Murray J. Thomson*, Rashed AlEisad and M. A. Khan *，et al. Methane pyrolysis for hydrogen production:navigating the path to a net zero future. Energy Environ. Sci., 2025,18, 2747-2790.
