分散剂驱动的碳/碳催化剂微结构工程：实现高甲烷转化率与延迟失活的制氢技术

本研究针对催化甲烷分解(CMD)中催化剂快速失活和积碳问题，创新性地采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为分散剂优化碳黑(CB)/活性炭(AC)复合催化剂。结果表明，CB/AC-PVP在950°C下实现36.8%甲烷转化率，催化半衰期达62.8分钟，比纯AC提升64%耐久性，其1025.095 m2·g?1的高比表面积和均匀CB分布显著提升催化效率，为清洁制氢技术提供新思路。

　　

在全球能源转型背景下，氢能因其零碳排放特性成为替代化石燃料的重要选择。然而，当前主流的蒸汽甲烷重整(SMR)制氢技术每生产1kg氢气会排放9-12kg CO₂，严重制约碳中和目标的实现。催化甲烷分解(CMD)技术可将CH₄直接裂解为H₂和固体碳，理论上实现零碳排放，但面临两大技术瓶颈：甲烷分子中高达434 kJ/mol的C-H键能需要高温(>1200°C)才能断裂；催化剂因积碳导致活性位点堵塞而快速失活。传统金属催化剂虽能降低反应温度，但存在成本高、易中毒等问题，而碳基催化剂具有热稳定性好、成本低等优势，其中活性炭(AC)初始活性高但易失活，碳黑(CB)稳定性好但分散性差。

为解决这一矛盾，中国某高校研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，创新性地采用聚合物分散剂调控CB/AC复合催化剂的微结构。通过系统比较十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、聚丙烯酸钠(PAA)、吐温80(Tween 80)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等分散剂的效果，发现PVP能最优解解决CB颗粒团聚问题。研究采用BET比表面积分析、扫描电镜(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)表征材料特性，结合固定床反应器评价催化性能，并通过动力学分析揭示反应机制。

催化剂制备与表征
通过PVP辅助的液相分散法将CB负载于AC上，SEM显示PVP使CB均匀分散于AC表面，未形成大尺寸聚集体。BET测试表明新鲜CB/AC-PVP催化剂具有1025.095 m²·g^?1的高比表面积，微孔体积占比达78%，远高于纯AC(802 m²·g^?1)。XPS证实PVP的羰基与CB表面含氧基团形成氢键，这种相互作用有效抑制了CB团聚。

甲烷转化性能
在950°C、20 mL/min甲烷流速下，CB/AC-PVP表现出最优性能：120分钟时甲烷转化率保持36.8%，催化半衰期达62.8分钟，较纯AC延长64%。对比实验显示不同分散剂效果排序为PVP > Tween 80 > PAA > CTAB，这与分散剂分子结构与碳材料相互作用强度直接相关。

结构演变与失活机制
反应后催化剂比表面积锐减至5.118 m²·g^?1，SEM观察到碳纳米纤维覆盖表面。拉曼光谱显示积碳的I_D/I_G比值从1.03增至1.62，表明无序碳结构增加。这种结构演变导致微孔堵塞和活性位点掩蔽，是催化剂失活的主因。

动力学分析
CB/AC-PVP的反应级数为0.54，活化能降至80.20 kJ/mol(纯AC为88.74 kJ/mol)。PVP修饰不仅改善CB分散性，还通过电子效应削弱C-H键，这是催化效率提升的关键。

该研究通过微结构工程实现了碳基催化剂性能的突破：PVP分散的CB/AC复合物兼具高活性与长寿命，其创新性体现在三个方面：(1)首次系统评估不同分散剂对CMD催化剂性能的影响，确立PVP的最优选择；(2)揭示PVP通过氢键作用和空间位阻双重机制防止CB团聚；(3)证实微孔结构保留与CB均匀分布对延缓失活的协同作用。尽管积碳问题仍需解决，但该工作为开发高效碳基催化剂提供了明确方向，推动CMD技术向工业化应用迈进。工艺模拟显示该催化剂体系可实现能耗降低12%的碳循环利用，对构建可持续制氢技术具有重要意义。