实时传感器在催化甲烷裂解检测中的应用评估：迈向航空航天与能源系统的实时监测新策略

为解决甲烷催化裂解(Methane pyrolysis)过程中时间分辨率不足的问题，研究人员评估了实时声速(SoS)和热导率(TCG)传感器的性能。通过对比气相色谱(GC)数据，发现PCB基TCG和飞行时间(Time-of-Flight)SoS传感器能有效捕捉动态特性，为航空航天推进和清洁能源应用中的实时监测提供了低成本、高精度的解决方案。

　　

研究背景与意义
甲烷催化裂解在能源技术和航空航天推进领域具有双重价值：既能将天然气转化为氢气与固态碳，实现低碳制氢，又可能因火箭发动机冷却通道中的碳沉积引发热传导恶化甚至堵塞。然而，现有研究多聚焦于化学动力学、催化剂材料等静态参数，对裂解过程的时间动态特性关注不足。随着可重复使用火箭发动机等高度循环系统的需求增长，理解碳沉积的累积效应对维护成本和系统寿命的影响变得至关重要。传统气相色谱(GC)等间歇式测量方法难以捕捉快速变化的反应过程，而压力/温度等间接监测手段（如Gascoin等对十二烷裂解的研究）又缺乏特异性。因此，开发实时、高分辨率的检测技术成为突破该领域研究瓶颈的关键。

研究方法与技术路线
瑞典国家航天局资助的研究团队设计了一套新型实验装置，采用镍201样品和定制化样品支架，通过电感加热实现表面定向加热。系统集成四种检测手段：基于飞行时间原理的Optel OpTIM 2.0声速(SoS)传感器、Xensor XEN-5320热导率(TCG)传感器、斯坦福研究系统BGA244共振腔SoS分析仪，以及作为金标准的Varian CP4900微型气相色谱(GC)。通过控制温度(700-800°C)、压力(0.2 MPa)和流量(20-100 ml/min)等变量，对比评估了各传感器在捕捉氢(H₂)生成动态时的性能差异。

研究结果与发现

1. 实验系统验证
   温度梯度测试显示样品间最大温差为30°C（800°C工况），铝制支架温度维持在220°C以下，有效避免干扰。表面粗糙度标准化处理（80目砂纸，R_a=1.62 μm）的样品在700°C测试时呈现斑点状碳沉积，800°C时则形成更均匀的覆盖层，证实系统可产生可重复的裂解反应。

2. 传感器性能比较
   在20 ml/min低流量下，GC测得H₂浓度比下游传感器高约0.5%，这被归因于气体在传输过程中的扩散混合。时序分析表明：Optel OpTIM响应最快（测量腔体积最小），XEN-5320次之，BGA244因0.13L大测量腔导致6.5分钟的气体置换延迟。当将XEN-5320置于GC上游时，两者数据高度吻合（R²>0.98），验证了传感器本身的准确性。

3. 动态过程捕捉
   所有传感器均成功记录了裂解速率随时间衰减的特征曲线：700°C时H₂生成量在10分钟内达到平台期（约0.4% vol），而800°C时持续增长至3.1% vol。GC虽能捕捉趋势，但其90秒的最小采样间隔仅为实时传感器（1Hz采样率）的1/5400，在检测快速瞬变过程时存在理论局限。

结论与展望
该研究首次证实基于声速(SoS)和热导率(TCG)的实时传感器可替代传统气相色谱用于甲烷裂解研究，其中PCB集成的XEN-5320和飞行时间技术的OpTIM 2.0表现最佳。这些传感器以低于GC两个数量级的成本，实现了相当的测量精度（偏差<0.3% H₂）和更优的时间分辨率，为火箭发动机冷却通道原位监测系统的开发奠定了基础。未来工作需拓展至更高压力(>10 MPa)和更复杂烃类体系，并探索传感器阵列在分布式监测中的应用潜力。瑞典团队的研究成果发表于《Fuel》，为能源转型和航天器可重复使用技术提供了重要的方法论支撑。