本文由西南石油大学新能源与材料学院的周莹、詹俊杰、黄泽皑、周芸霄、刘梦颖、杨茗凯和张魁魁共同撰写，发表于2023年4月的《油气与新能源》期刊第35卷第2期。文章题为《熔融介质裂解天然气制氢和高值碳研究进展》，主要探讨了在“双碳”背景下，熔融介质裂解天然气制氢技术的优势、经济影响因素及催化剂研究进展。

研究背景与意义

氢气作为实现“碳达峰”和“碳中和”战略目标的重要能源载体，其生产方式的低碳化至关重要。目前，全球主要采用天然气水蒸气重整制氢（灰氢），但该过程伴随大量二氧化碳排放，难以满足未来低碳发展的需求。天然气裂解制氢技术通过将甲烷（CH₄）中的碳转化为固体碳材料，结合可再生能源供能，可实现不排放二氧化碳的制氢路线。熔融介质裂解技术因其低碳排放、高值碳产物等特点，成为天然气制氢领域极具工业化应用前景的技术之一。

熔融法裂解天然气制氢技术概述

熔融法裂解天然气制氢技术通过高温熔融金属或盐类介质裂解甲烷，生成氢气和固体碳产物。该技术具有以下优势： 1. 低碳排放：与传统天然气重整制氢相比，熔融法裂氢过程中几乎不产生二氧化碳。 2. 高值碳产物：裂解过程中产生的固体碳材料（如石墨烯、碳纳米管等）具有较高的经济价值。 3. 工艺灵活性：熔融法工艺可实现分布式生产，适合小型化装置。

技术经济影响因素

熔融法裂解天然气制氢的成本受碳税和碳产物价格的影响较大。文章通过计算指出： - 碳税影响：当碳税达到0.24元/kg时，熔融法裂解制氢成本可与水蒸气重整制氢竞争；当碳税达到0.65元/kg时，可与煤制氢竞争。 - 碳产物价值：熔融法裂解制氢过程中产生的高值碳产物（如石墨烯、碳纳米管等）可显著降低制氢成本。例如，石墨烯的市场价格可达400元/kg以上，远高于传统炭黑的10元/kg。

催化剂研究进展

熔融法裂解天然气制氢的核心在于催化剂的选择与优化。文章详细介绍了四类催化剂的研究进展： 1. 单金属催化剂：如锡（Sn）、铋（Bi）等，具有较高的甲烷转化率，但碳产物中的金属杂质难以回收。 2. 合金催化剂：如镍-铋（Ni-Bi）合金，具有更高的催化活性，甲烷转化率可达98%。 3. 熔融盐催化剂：如氯化钾（KCl）、氯化锰（MnCl₂）等，碳产物中的盐类杂质可通过水洗去除，但催化活性较低。 4. 合金与盐混合催化剂：结合了金属催化剂的高活性和盐类催化剂的易分离性，是未来工业化应用的重点方向。

结论与展望

熔融法裂解天然气制氢技术因其低碳排放、高值碳产物和工艺灵活性，在“双碳”背景下具有广阔的应用前景。未来研究方向包括： 1. 催化剂优化：开发兼具高催化活性和易回收性的复合催化剂。 2. 碳产物定向调控：通过调控反应条件，定向生产不同结构的高值碳材料，以满足下游应用需求。 3. 分布式制氢系统：结合天然气管网，建设分布式制氢站点，降低氢气储运成本。

研究亮点

1. 低碳排放：熔融法裂解天然气制氢过程中几乎不产生二氧化碳，符合“双碳”战略目标。
2. 高值碳产物：裂解过程中产生的石墨烯、碳纳米管等高值碳材料具有显著的经济价值。
3. 催化剂创新：合金与盐混合催化剂的开发为工业化应用提供了新的解决方案。

总结

本文系统综述了熔融介质裂解天然气制氢技术的优势、经济影响因素及催化剂研究进展，为该技术的工业化应用提供了理论支持和实践指导。未来，随着催化剂技术的进一步优化和碳产物价值的提升，熔融法裂解天然气制氢有望成为实现“双碳”目标的重要技术路径之一。