利用镍基层状硅酸盐功能化沸石膜反应器通过催化甲烷分解生产氢气

《Surfaces and Interfaces》：Hydrogen production from catalytic methane decomposition using Ni-phyllosilicate functionalized zeolite membrane reactor

氢气生产与碳纳米管制备协同工艺研究。通过Ni-层状硅酸盐负载LTA沸石膜反应器实现甲烷催化分解（CDM）与氢气分离同步进行，在600℃时甲烷转化率达58±1%，氢气纯度≥98%并回收76±0.2%。该膜结构采用水热法与尿素水解法复合制备，兼具高温稳定性和抗积碳特性，同时产出高附加值碳纳米管。

　　氢气作为一种清洁、绿色的能源，其在应对气候变化方面展现出巨大的潜力。随着全球范围内国家间战争引发的地缘政治失衡，能源供应的稳定性受到了挑战，促使各国寻求更加独立和可持续的能源解决方案。氢气因其零碳排放的特性，被视为未来能源转型的重要组成部分。目前，工业上主要通过甲烷蒸汽重整（SRM）反应生产氢气，但这一过程是高度吸热的，并会产生二氧化碳等副产物。因此，开发更加环保和高效的氢气生产方式成为当务之急。

氢气的生产可以通过水电解和甲烷分解两种方式实现，其中甲烷分解反应在实现净零碳排放方面具有显著优势。甲烷分解反应可以将甲烷转化为氢气和固态碳，同时避免产生二氧化碳。因此，催化甲烷分解（CDM）反应在利用廉价且丰富的资源如天然气生产氢气方面显得尤为重要。然而，传统的甲烷分解方法存在诸多挑战，例如反应过程中产生的碳沉积可能导致催化剂失活，同时高反应温度也增加了能耗。

为了克服这些限制，研究人员致力于开发新型的催化膜反应器，将催化反应与氢气分离相结合，以提高反应效率和氢气回收率。这类反应器的设计通常包括一个支持层和一个分离层，支持层用于固定催化剂，分离层则负责氢气的纯化和回收。在本研究中，开发了一种稳定的镍物种功能化膜反应器，用于从催化甲烷分解反应中生产高纯度氢气。该膜反应器由负载在氧化铝中空纤维表面的沸石层构成，并进一步功能化形成镍磷石，以增强催化性能。

膜反应器的制备采用了水热合成法和尿素水解法，以确保膜的均匀性和稳定性。为了验证膜的性能，研究人员对膜的结构和催化剂沉积情况进行了扫描电子显微镜（SEM）、能量色散光谱（EDS）和X射线衍射（XRD）分析。这些分析结果表明，膜表面形成了均匀且高度附着的镍磷石层，而膜的结构也保持了良好的稳定性。

在测试过程中，膜反应器在450至600摄氏度的温度范围内进行了催化甲烷分解反应。结果显示，在600摄氏度时，反应的转化率达到58±1%。同时，高纯度氢气（约98±0.5%）的回收率约为76%。此外，反应过程中还产生了碳纳米管（CNT），这些材料同样具有重要的应用价值。通过这种集成的催化膜反应器，不仅能够提高氢气的生产效率，还能实现碳纳米管的同步生成和回收，从而推动净零排放和高附加值化学品的生产。

为了进一步提高膜反应器的性能，研究人员特别关注了金属支持相互作用对反应的影响。在高温条件下，甲烷分解反应可能导致金属催化剂的烧结，从而降低其活性。为此，研究人员通过形成金属磷石或层状硅酸盐来增强金属支持相互作用，从而有效防止金属纳米颗粒的烧结。此外，膜反应器的设计还考虑了成本因素，选择了成本较低且具有良好氢气渗透性的沸石膜作为分离层。LTA型沸石因其优异的氢气渗透性和热稳定性，被选为理想的膜材料。

本研究中，膜反应器的结构设计包括两个部分：顶部表面被功能化为镍磷石，用于催化甲烷分解；底部表面则保持为沸石结构，用于氢气的渗透和回收。这种结构设计不仅提高了催化效率，还确保了膜的稳定性和选择性。通过这种方式，膜反应器能够在高温条件下高效运行，同时减少能量消耗和碳排放。

在实际应用中，这种集成的催化膜反应器具有广阔的发展前景。它不仅可以提高氢气的生产效率，还能同步生成和回收碳纳米管，从而实现资源的高效利用和环境的可持续发展。此外，这种反应器的设计还为未来清洁能源技术的发展提供了新的思路和方向，有助于推动绿色能源在工业和生活中的广泛应用。

总的来说，本研究通过开发一种稳定的镍物种功能化膜反应器，成功实现了高纯度氢气和碳纳米管的同步生产。这种反应器的设计结合了催化反应与氢气分离的优势，提高了反应效率和氢气回收率。同时，通过优化膜材料和结构，确保了反应器的稳定性和环保性。这些成果为未来的清洁能源技术提供了重要的理论基础和实践指导，有助于推动全球范围内的能源转型和可持续发展。