本文是由廖加术、刘建星、王思蜀、陈波、陈建军、韦建军、叶宗标和芶富均等研究人员共同完成的研究论文，发表于《高等学校化学学报》（Chemical Journal of Chinese Universities）2024年第45卷第2期。该研究主要探讨了液态金属催化裂解甲烷制氢的动力学过程，旨在开发一种高效、无二氧化碳排放的氢气生产技术。

学术背景

氢气作为一种高热值且无二氧化碳排放的化学原料，对实现碳达峰和碳中和目标具有重要意义。目前，全球氢气的主要来源是甲烷水蒸气重整，但该方法每年会产生大量二氧化碳，带来严重的环境问题。甲烷热解是一种替代方案，其副产物为固体碳，不会产生二氧化碳。然而，非催化气相甲烷热解需要高温（>1200℃），且氢气选择性和甲烷转化率较低。液态金属催化甲烷热解技术通过使用液态催化剂，可以有效解决催化剂失活的问题，并在较低温度下实现高效制氢。

研究流程

本研究开发了一个液态金属裂解反应器催化甲烷热解的数值模型，并通过实验验证了模型的可靠性。研究流程包括以下几个步骤：

1. 模型开发：基于甲烷在气液界面发生的催化热解、气泡内部发生的非催化热解过程以及气泡上升过程中的流动行为，耦合了催化和非催化反应动力学与流体力学，建立了数值模型。该模型利用气体体积流速、压力、气体成分、温度和液态金属性质（密度、黏度和表面张力）预测气泡尺寸和熔体中的气含率。

2. 实验验证：在实验室自主搭建的液态金属制氢平台上进行实验，使用液态铜铋合金（Cu0.45Bi0.55）作为催化剂，测量了不同温度、不同甲烷进气流量和液态金属高度下的甲烷转化率。实验数据与模型预测结果高度吻合，验证了模型的可靠性。

3. 数据分析：通过实验数据与模型预测结果的对比，分析了甲烷转化率、气含率、表观气体速率和压力沿液态金属高度的分布情况。

主要结果

1. 甲烷转化率：实验结果表明，甲烷转化率随温度的升高而增加，且与甲烷进气流量呈负相关。在低温下，转化率与流量呈线性关系；在高温下，转化率随流量增加呈指数衰减。

2. 模型验证：模型预测结果与实验数据高度一致，证明了模型的可靠性。模型能够准确预测不同温度、不同甲烷进气流量和液态金属高度下的甲烷转化率。

3. 气含率和压力分布：模型预测了液态金属中气含率、表观气体速率和压力沿高度的分布情况。结果表明，压力沿反应器高度近似线性下降，表观气速在熔体下半部分随高度线性增加，而在上半部分增长速率加快。

结论

本研究开发了一个基于液态金属裂解反应器催化甲烷热解制氢的数值模型，能够在不假设气泡尺寸和气含率的情况下，准确预测甲烷转化率和反应器内的压力变化。实验数据验证了模型的可靠性，表明该模型可以用于优化反应器设计和提高氢产率。

研究亮点

1. 创新性模型：本研究开发了一个耦合反应动力学和流体力学的数值模型，能够准确预测液态金属裂解反应器中的甲烷转化率。
2. 实验验证：通过实验数据与模型预测结果的对比，验证了模型的可靠性，为反应器优化提供了理论依据。
3. 应用价值：该模型有助于优化液态金属裂解反应器的设计，提高氢产率，推动无二氧化碳排放的氢气生产技术向工业化发展。

其他有价值的内容

本研究还探讨了液态金属中气泡尺寸和气含率的计算方法，提出了基于无量纲邦德数、伽利略数和弗劳德数的气泡尺寸预测方法，为液态金属裂解反应器的设计提供了重要参考。