美国斯坦福大学研发甲烷热解制氢新工艺 产出量提升十倍

斯坦福大学（Stanford University）工程学院科研团队在《科学》（Science）杂志报告了一种甲烷热解制氢新工艺。新工艺从反应器内部供热，将甲烷直接分解为氢气和固体碳。研究人员称，在相同能量输入下，新反应器的材料产出量约为传统外部加热方式的十倍。

现有天然气制氢路线在获得氢气的同时会放出气态二氧化碳；甲烷热解则是将甲烷分解为氢气和固体碳，不产生气态二氧化碳。该技术已研究多年，但始终难以从实验室放大到工业规模，主要障碍有两方面：从反应器中清除固体碳，以及为反应过程提供足够的热量。论文共同第一作者、斯坦福大学化学工程系研究员亨利·莫伊斯（Henry Moise）表示，此次工作聚焦后一个供热问题。

论文资深作者、斯坦福大学化学工程系副教授马泰奥·卡内洛（Matteo Cargnello）称，要让热解规模匹配氢市场，反应器必须建得很大，并需要被加热到1000摄氏度，加热方式必须非常高效。当前的工业反应器多从外部加热，反应器放得越大，热量越难穿透到反应器中心。研究团队没有采用会产生二氧化碳的天然气外部燃烧方式，而是在反应器内放置一个燃烧器，选择性地燃烧一部分氢气。这部分氢气燃烧的产物以水为主，既能推动甲烷裂解反应，又避免了直接的二氧化碳排放。

据莫伊斯介绍，这种自热式加热方式使效率约提升十倍。若使用相同能量，采用新方法的反应器材料产出量大约相当于10台采用传统外部加热方式的反应器。研究同时发现，反应生成的固体碳以高品质石墨的形式析出，可用于电池、电极等产品。莫伊斯称之为项目“最大的惊喜”。

莫伊斯说，至少有几个百分点的GDP依赖氢。他以化肥为例：氨的生产离不开氢，氨肥据估计养活着全球约一半人口；氢还用于炼油过程中脱除汽油里的硫，并有助于生产甲醇等产品。氢“无处不在，以至于变得不可见”。研究团队希望，新工艺能为廉价清洁的氢气生产创造条件。

据论文介绍，论文共同第一作者还有德国访问学生塞巴斯蒂安·莫尔（Sebastian Moll），他在莫伊斯实验室工作了六个月。加州大学圣芭芭拉分校（University of California, Santa Barbara）的埃里克·麦克法兰（Eric McFarland）团队提供了更大规模反应器的数据；阿伦·马宗达（Arun Majumdar）鼓励团队攻克这一课题。其他共同作者包括斯坦福大学的约书亚·马丁内斯-纳瓦罗（Joshua Martinez-Navarro）、赛·瓦拉纳西（Sai Varanasi）、前博士后学者Kun Xu，以及来自加州大学圣芭芭拉分校和德国卡尔斯鲁厄理工学院（Karlsruhe Institute of Technology）的研究者。

斯坦福大学已就相关研究成果提交临时专利申请。研究得到卡夫利基金会（Kavli Foundation）、莱斯大学碳中心（Carbon Hub at Rice University）、斯坦福天然气计划（Natural Gas Initiative at Stanford）以及丹麦奥胡斯大学二氧化碳研究中心（CO2 Research Center at Aarhus University）的资助。卡内洛表示，后续仍需扩大研究规模，验证该方法在主流制氢中的应用。