劍橋大學(xué)（University of Cambridge）的研究人員開(kāi)發(fā)了一種方法，通過(guò)循環(huán)甲烷氣體，實(shí)現(xiàn)碳納米管（CNT）和清潔氫燃料的同時(shí)生產(chǎn)，并且不產(chǎn)生二氧化碳副產(chǎn)物。該方法使碳納米管的產(chǎn)量提高了八倍以上，同時(shí)還能大量生成清潔氫燃料。

氫氣是一種備受關(guān)注的燃料，因?yàn)樗紵耆划a(chǎn)生碳排放。隨著各國(guó)推動(dòng)減少化石燃料使用，氫氣需求不斷上升。然而，目前的氫氣生產(chǎn)方法，如蒸汽甲烷重整，會(huì)產(chǎn)生一氧化碳等副產(chǎn)物。

劍橋的研究人員關(guān)注另一種涉及甲烷的反應(yīng)，該反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生少量氫氣作為副產(chǎn)物。這種稱(chēng)為甲烷熱解的反應(yīng)，旨在生產(chǎn)可用于鋰離子電池的碳納米管，這一領(lǐng)域的需求也在不斷增加。

劍橋研究人員探討了如何優(yōu)化熱解反應(yīng)，以生成大量氫氣作為副產(chǎn)物。目前，碳納米管的生產(chǎn)通常使用流化床或固定床反應(yīng)器。多年來(lái)，研究嘗試改用氣相催化劑，可生產(chǎn)高質(zhì)量、較長(zhǎng)的碳納米管，從而在電極中表現(xiàn)更優(yōu)。該過(guò)程稱(chēng)為浮動(dòng)催化化學(xué)氣相沉積（FCCVD），使用甲烷，但需要與氫氣稀釋以防止生成煙灰。

FCCVD的放大存在挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼜囊婚_(kāi)始就需要大量氫氣。最終反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣僅略高于輸入量。傳統(tǒng)FCCVD使用單通道設(shè)計(jì)，即甲烷氣體進(jìn)入一次反應(yīng)器后排出，導(dǎo)致大量浪費(fèi)。劍橋研究人員決定循環(huán)氣流，直到所有甲烷被消耗生成CNT，從而消除了額外氫氣的需求。

目前，只有一個(gè)FCCVD系統(tǒng)在試點(diǎn)規(guī)模下使用單通道配置。為了驗(yàn)證多通道系統(tǒng)，研究團(tuán)隊(duì)建造了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的反應(yīng)器。當(dāng)氣體流經(jīng)過(guò)2372°F（1300°C）的熱解反應(yīng)器時(shí)，1%的氣體被移除以回收氫氣，而碳納米管則卷到墊子上。氣體中還含有其他碳?xì)浠衔锖土蚧瘹洌@些不會(huì)影響CNT產(chǎn)量。

使用封閉系統(tǒng)顯著減少了反應(yīng)器產(chǎn)生的廢氣。與單通道反應(yīng)器相比，研究團(tuán)隊(duì)在論文中報(bào)告了“碳產(chǎn)率提升8.7倍，摩爾過(guò)程效率提升446倍”。為了評(píng)估實(shí)際運(yùn)行情況，研究團(tuán)隊(duì)基于商業(yè)工廠數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬。結(jié)果顯示，多通道反應(yīng)器設(shè)計(jì)可將系統(tǒng)中75%的氣體轉(zhuǎn)化為CNT與氫氣，比例為3:1。

實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器還可使用甲烷與二氧化碳混合氣源，以模擬沼氣廠的產(chǎn)出。如果這一方法可以放大，科學(xué)家就能同時(shí)生產(chǎn)高質(zhì)量碳納米管和清潔燃料。

（素材來(lái)自：劍橋大學(xué) 全球氫能網(wǎng)、新能源網(wǎng)綜合）