综述：甲烷热解技术生产绿松石氢的进展与未来方向：固体催化剂、等离子体、等离子体-催化剂混合及熔融介质催化剂系统概述

这篇综述深入探讨了甲烷热解（MP）技术生产零碳排绿松石氢（Turquoise H2）的四大系统：固体催化剂（SMR对比）、等离子体（非热/热）、等离子体-催化剂协同（PCM）及熔融介质催化剂（MMC），重点分析了各系统在反应效率（如CH4转化率）、碳沉积（Coke）、能耗（ΔH°=+74.85 kJ/mol）及工业化瓶颈（如CCUS成本）的优劣，为清洁能源转型提供技术路线参考。

　　

Abstract

甲烷热解技术因直接生成绿松石氢（H₂）和固态碳黑（C）的零CO₂排放特性成为氢能研究热点。传统固体催化剂虽降低反应温度（<1000°C），但积碳（Coke）导致的活性位点阻塞和再生难题（需O₂气化产生CO₂）制约其工业化。熔融介质催化剂（MMC）通过密度差实现碳产物的连续分离，但面临熔盐腐蚀和传质阻力等新挑战。等离子体技术凭借高活性物种（如自由基）在低温下裂解CH₄，而等离子体-催化剂耦合（PCM）系统可协同提升能效，但反应机理尚不明确。

Introduction

氢能作为零碳燃料（仅排放H₂O）在化工（如NH₃合成）、炼油（脱硫）及交通领域（燃料电池车）应用广泛。当前96%的氢产自化石燃料，其中蒸汽甲烷重整（SMR）因高CO₂排放（830万吨/年）面临CCUS改造（蓝氢）。甲烷热解（CH₄→C+2H₂）通过规避CO_x生成，碳排放较灰氢和蓝氢分别降低71%和46%，且反应焓（ΔH°=+74.85 kJ/mol）低于SMR（ΔH°=+165 kJ/mol）。

Methane Pyrolysis Technologies

固体催化剂系统：Ni基和碳基催化剂可降低活化能（440→200 kJ/mol），但积碳导致压降升高和频繁再生。熔融介质系统：Ni-Bi熔盐在900°C下实现80%转化率，碳产物上浮分离，但熔盐挥发和腐蚀问题待解。等离子体系统：非热等离子体（如介质阻挡放电）在500°C即可裂解CH₄，但能效较低；热等离子体（电弧）效率高但电极损耗严重。PCM系统：等离子体激发CH₄后，催化剂（如Ni/Al₂O₃）进一步促进C-H键断裂，氢产率提升30%，但等离子体-表面相互作用机制仍需探索。

Comparative Analysis

技术经济性显示：固体催化剂设备成本低但维护费用高；MMC的碳副产品（如碳纤维）可抵消部分成本；等离子体系统适合分布式制氢但能耗敏感。未来方向包括开发抗积碳催化剂（如Fe@C核壳结构）、优化熔盐组分（如NaCl-KCl共晶）及解析PCM反应动力学。

Concluding Remarks

甲烷热解从碳材料合成技术演变为氢能生产关键路径，其工业化依赖反应器设计（如太阳能加热）、催化剂寿命及碳产物高值化（如电池电极）。多学科交叉（材料科学、等离子体物理）将是突破技术瓶颈的核心驱动力。