本文介绍了一项关于在熔融铝中进行甲烷、乙烷、丙烷和天然气热解生成固体碳的研究。该研究由Shashank Reddy Patlolla、Amir Sharafian和Walter Mérida等作者共同完成，发表于2024年3月21日的《Carbon》期刊上。研究的主要目的是通过热解轻质烃类（如甲烷、乙烷、丙烷和天然气）在熔融铝中生成固体碳，并对其结构和性质进行详细表征。研究背景源于天然气和甲烷热解作为一种经济可行的替代方法，能够生产低排放的氢气和固体碳。固体碳在轮胎、橡胶制品、油墨、涂料、汽车零部件、运动器材、锂离子电池电极以及储能材料等领域有广泛应用。

研究背景与动机

天然气和甲烷的热解反应（如甲烷热解生成固体碳和氢气）近年来受到广泛关注。该反应不仅能够生产氢气，还能生成固体碳，后者可以替代传统的碳黑（Carbon Black, CB）等材料。传统的碳黑生产方法（如炉黑法和热黑法）会产生大量的二氧化碳排放，而通过热解生成的固体碳则具有近零排放的优势。此外，固体碳还可以用于水泥生产和建筑等领域，进一步减少碳排放。

实验方法与流程

研究使用高纯度铝作为熔融介质，分别在1000°C下对甲烷、乙烷、丙烷和天然气进行热解。实验装置包括一个石英管反应器，反应器内部分填充熔融铝，并通过电加热器和热电偶控制温度。每种气体的热解实验持续至少2小时，生成的固体碳通过离心和清洗步骤从熔融铝中分离出来。

固体碳的表征

研究使用了多种表征技术对生成的固体碳进行分析，包括扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman Spectroscopy）、热重分析（TGA）和比表面积分析（BET）。通过这些技术，研究人员详细分析了固体碳的形貌、晶体结构、热稳定性和表面特性。

主要结果

1. 形貌分析：甲烷和乙烷热解生成的固体碳主要为球形颗粒，平均粒径分别为1.11 μm和0.18 μm。丙烷和天然气热解生成的固体碳则包含球形颗粒和封端碳纳米管（capped-carbon nanotubes, capped-CNTs），其中丙烷生成的碳纳米管平均外径为0.39 μm，天然气生成的碳纳米管平均外径为0.31 μm。
2. 晶体结构：XRD分析表明，甲烷和乙烷热解生成的固体碳具有宽的石墨相，而丙烷热解生成的固体碳则显示出更尖锐的石墨峰。拉曼光谱进一步证实了石墨结构的存在，并表明碳纳米管的结构比球形颗粒更为有序。
3. 热稳定性：TGA分析显示，丙烷热解生成的固体碳（包含球形颗粒和碳纳米管）具有更高的热稳定性，其氧化温度比仅含球形颗粒的样品高出50°C以上。
4. 比表面积：乙烷和天然气热解生成的固体碳比表面积分别为38.8 m²/g和26.2 m²/g，显著高于商业碳黑N991（11 m²/g）和石墨（7 m²/g）。

结论与意义

研究表明，通过选择合适的热解气体，可以在熔融铝中生成具有不同形貌和性质的固体碳材料。甲烷和乙烷热解主要生成球形碳颗粒，而丙烷和天然气热解则生成球形颗粒和碳纳米管的混合物。这些固体碳材料具有纳米晶特性，且其热稳定性和比表面积可以通过调整热解气体进行调控。该研究为固体碳材料的定制化生产提供了新的思路，具有重要的科学和应用价值。

研究亮点

1. 新颖的实验方法：研究首次在熔融铝中对多种轻质烃类进行热解，并详细表征了生成的固体碳材料。
2. 多样化的碳结构：通过调整热解气体，成功生成了球形碳颗粒和碳纳米管的混合物，展示了固体碳材料的多样性。
3. 高比表面积：乙烷和天然气热解生成的固体碳具有较高的比表面积，适用于气体吸附、催化和过滤等应用。

未来研究方向

未来的研究可以进一步探讨铝及其合金在烃类热解反应中的催化作用，以及氢气的产率和气体副产物的形成。此外，通过控制反应参数（如流速、气泡大小和停留时间等），可以设计新的反应器，以实现可重复、可控和可扩展的氢气生产。

总之，该研究为固体碳材料的定制化生产和应用提供了重要的科学依据，具有广泛的应用前景。