本文由覃莉、何阳东、陈昌武、杨汉杰、杨威、高华、邬娅洁、贺云豪等作者共同撰写，分别来自中国石油西南油气田公司蜀南气矿、天然气研究院以及德阳烯碳科技有限公司。该研究于2024年发表在《石油与天然气化工》期刊上，题为《熔融法天然气裂解制石墨烯工艺及应用研究》。文章主要探讨了通过熔融法将天然气中的碳元素转化为高价值碳材料——石墨烯的工艺及其应用前景。
石墨烯因其优异的光、力、电、磁、热学等性能，被誉为“改变21世纪的神奇材料”，广泛应用于电子信息、能源、环境、生物医学、国防军工等领域。近年来，随着新能源、半导体等产业的快速发展，石墨烯的需求量不断增长。然而，传统的石墨烯制备技术如机械剥离法、氧化还原法、化学气相沉积法（CVD）等存在环境污染大、成本高、可控性差、催化剂易失活等问题。因此，研究一种高效、环保的石墨烯制备方法具有重要意义。
熔融法天然气裂解技术通过将天然气中的碳元素转化为石墨烯，并结合可再生能源供能，可实现整个工艺的零碳排放，并副产氢气。该技术不仅能够实现天然气的低碳、高值化利用，还能提升天然气产业链的附加值，助力“双碳”战略目标的实现。
文章详细介绍了熔融法天然气裂解制石墨烯的反应机理、熔融介质的研发进展以及裂解反应器的设计。熔融法天然气裂解技术可视为CVD的改良，其核心在于通过熔融介质催化天然气裂解生成石墨烯，同时避免催化剂因积炭失活的问题。熔融介质不仅起到催化作用，还能通过导热作用维持反应的稳定性。
在实验中，研究人员发现高温和高含量的原料气有助于提升石墨烯的生长速度和转化率。通过对熔融催化体系进行改性，西南油气田公司成功降低了裂解反应温度并提高了原料气的进气含量，最终制得了少层石墨烯，显著提升了石墨烯的产量。
通过对西南油气田公司生产的石墨烯粉体进行性能表征和应用研究，研究人员发现该石墨烯在导热、防腐、导电及封堵液等领域具有广泛的应用潜力。
导热性能：实验表明，添加0.06%的石墨烯可使导热材料的导热性能提升20%。石墨烯的高导热性使其在导热硅橡胶垫、导热塑料、导热凝胶等产品中具有广泛应用前景。
防腐性能：在防腐涂料中添加1.00%的石墨烯，可使涂层的腐蚀速率降低400%-600%。石墨烯的加入不仅减少了锌粉的使用量，还显著提升了涂层的耐腐蚀性能。
导电性能：石墨烯的导电率可达2.5×10^5 S/m，远高于传统石墨材料。实验表明，石墨烯负极在动力电池中表现出优异的功率特性和循环稳定性，有望在动力电池等领域替代传统石墨负极。
封堵液性能：石墨烯的非渗透性使其在封堵剂中表现出优异的性能。实验表明，熔融法石墨烯可满足纳米封堵剂的技术指标要求，具有广泛的应用潜力。
熔融法天然气裂解制石墨烯技术不仅解决了传统石墨烯制备技术中的环境污染、成本高、催化剂失活等问题，还能实现氢气的联产，具有显著的经济和环境效益。通过对熔融法石墨烯的性能表征和应用研究，研究人员发现其在导热、防腐、导电及封堵液等领域具有广泛的应用前景。
然而，目前熔融法石墨烯生产工艺的裂解反应器及配套设备尚不成熟，未来需要在气泡分散、低能耗、无污染碳材料纯化技术等方面加强设备研发。此外，石墨烯在应用领域尚无相关国家标准，未来应加强石墨烯行业的标准制定，进一步完善石墨烯在已较为成熟的应用领域的质量标准。
未来，熔融法天然气裂解制石墨烯技术的重点发展方向包括： 1. 设备研发：加强裂解反应器及其配套设备的研发，优化气泡分散、低能耗、无污染碳材料纯化技术。 2. 标准制定：加强石墨烯行业的标准制定，进一步完善石墨烯在已较为成熟的应用领域的质量标准。 3. 应用拓展：进一步拓展石墨烯在导热、防腐、导电及封堵液等领域的应用，推动石墨烯的规模化商业化应用。
总之，熔融法天然气裂解制石墨烯技术为石墨烯的高效、环保制备提供了新的思路，具有重要的科学价值和应用前景。