不锈钢催化甲烷热解制备可定制碳材料及其在钢铁冶金中的可持续应用研究

为解决传统甲烷热解过程中催化剂失活、反应器堵塞及碳材料形貌控制难题，意大利米兰理工大学团队创新性地采用不锈钢双重功能（反应器/催化剂）结合CO2原位再生策略，成功制备出具有梯度石墨化程度（Sample A/B）的碳材料。通过SEM/EDS、XRD、TEM和拉曼光谱等多维表征，证实该TCMP技术可定向调控碳结构（纳米管状/无定形），为钢铁冶金提供新型还原剂与碳源，实现氢能生产与固碳利用的协同增效。

　　

在全球碳中和背景下，甲烷热解（TCMP）作为生产"绿松石氢"（无直接CO₂排放）的关键技术备受关注。然而传统工艺面临催化剂分离困难、反应器堵塞和碳产物附加值低等瓶颈，严重制约其工业化应用。更棘手的是，甲烷中75%的碳元素转化为固体副产物，若不能实现高值化利用，将造成资源浪费与处置压力。

针对这一系列挑战，意大利米兰理工大学（Politecnico di Milano）机械工程系的Shahab Bazri团队提出革命性解决方案。研究人员巧妙利用奥氏体不锈钢（EN 1.4301）的双重功能——既作反应容器又充当铁镍催化剂，通过Fe/Ni组分降低甲烷分解活化能，同时创新引入CO₂周期性再生策略（每400小时0.5 L/min流量注入12小时），成功破解催化剂失活难题。相关成果发表在《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》，为钢铁行业碳材料供应开辟可持续新路径。

研究团队采用四大关键技术：1）高温催化裂解系统（930-1030°C/1 atm）；2）多尺度表征联用（SEM/EDS元素分布分析、XRD晶体结构解析、TEM纳米形貌观测）；3）拉曼光谱（532/633 nm双波长激发）定量评估石墨化程度；4）压汞法与氮吸附联合测定孔隙特征。通过精准控制反应参数（如Sample A/B分别采用88秒停留时间与不同温度），实现碳材料结构的定向调控。

【SEM/EDS表征】揭示Sample A呈现多孔结构伴随机分布的纳米管状碳（直径60±16 nm），而Sample B则以致密无定形颗粒为主（55±22 nm）。元素图谱显示Fe/Cr/Ni残留（<5%），源自不锈钢催化基底，在冶金应用中反而可能提升材料相容性。

【XRD分析】显示Sample A在26°出现明显（002）晶面衍射峰，其半峰宽较Sample B窄32%，表明更高石墨化程度。这与TEM观察到的Sample A中清晰石墨层状结构（层间距0.34 nm）相互印证。

【拉曼光谱】定量分析极具说服力：Sample A的I_D/I_G比（0.89）显著低于Sample B（1.37），且2D峰尖锐度高出2.3倍，证实前者具有更完整的sp²杂化网络。通过532/633 nm双波长激发，首次发现波长依赖性峰形变化，为碳材料缺陷评估提供新方法学依据。

【孔隙特性】压汞法显示Sample A累积孔容达0.28 cm³/g（主峰位于5-50 μm），而BET比表面积不足0.001 m²/g，表明其宏观孔隙优势明显但缺乏微孔，这种特性恰好满足冶金还原剂对气体渗透性的要求。

在讨论部分，作者敏锐指出：虽然材料存在Fe/Ni残留限制其在电子器件等领域的应用，但恰好契合钢铁冶金对碳还原剂的特殊需求——残留金属可促进铁矿石还原反应。通过CO₂再生产生的CO副产物（Boudouard反应：CO₂ + C → 2CO）还能直接用于炼铁，实现碳闭环利用。计算显示该工艺碳转化效率达690 g C/kg CH₄（Sample A），较传统热解法提升17%。

这项研究的突破性在于：首次将反应器材料与催化剂功能融合，通过"不锈钢自催化+CO₂再生"双创新，同步解决工程放大与催化剂寿命难题。所获碳材料兼具结构可调性（石墨化度30-65%）与冶金适配性，为氢能-钢铁联产提供关键技术支撑。正如通讯作者Carlo Mapelli强调的，这种"以废治废"的设计理念，有望使甲烷热解技术提前5-8年实现工业落地，对欧盟2050碳中和目标具有战略意义。未来研究将聚焦不锈钢容器的长期抗渗碳性能优化，以及碳材料在电弧炉泡沫渣等场景的应用验证。