氣相甲烷熱解制氫與碳捕獲

        為了減少二氧化碳（CO2）排放，從中長(zhǎng)期來(lái)看，石油和天然氣等化石燃料必須被氣候中和的替代品所取代。在這方面，氫（H2）被認(rèn)為是最有前途的無(wú)碳能源載體之一，因?yàn)樗F(xiàn)在已經(jīng)被廣泛用于化學(xué)工業(yè)，例如用于精煉過(guò)程或生產(chǎn)氨或甲醇等關(guān)鍵化學(xué)品。此外，H2在鋼鐵行業(yè)脫碳方面具有巨大潛力，是公路和越野移動(dòng)應(yīng)用的寶貴燃料，無(wú)論是作為接近零排放的氫燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料，還是基本上零排放的燃料電池的燃料。這種多樣的應(yīng)用突顯了建立全球氫能經(jīng)濟(jì)的巨大潛力，這是邁向氣候中性未來(lái)的關(guān)鍵一步，但也要求提供高效、大規(guī)模的氫氣生產(chǎn)路線，以滿足日益增長(zhǎng)的氫氣需求。

        天然氣目前是工業(yè)生產(chǎn)H2的主要來(lái)源，由于天然氣的蒸汽重整會(huì)導(dǎo)致巨大的二氧化碳排放，因此必須采用替代生產(chǎn)工藝。除了水電解，即優(yōu)先使用風(fēng)能和太陽(yáng)能的可再生能源進(jìn)行H2的電化學(xué)生產(chǎn)，甲烷（CH4）熱解被認(rèn)為是大規(guī)模H2生產(chǎn)的一種有利方法，可以在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)在工業(yè)水平上實(shí)現(xiàn)。在這里，甲烷被分解為氣態(tài)氫和固態(tài)碳，這允許直接中斷碳循環(huán)。盡管天然氣也可以作為飼料，但涉及將大氣中的CO2摻入有機(jī)植被、隨后的生物質(zhì)發(fā)酵以及最終產(chǎn)生的富含甲烷的沼氣的熱解的整體生化過(guò)程是設(shè)計(jì)負(fù)碳排放過(guò)程的有利方法。

圖1：甲烷熱解過(guò)程示意圖。

        在這種情況下，我們小組最近的研究證明了氣相甲烷熱解制氫和同時(shí)捕獲碳的可行性。為此，我們使用了一個(gè)電加熱高溫反應(yīng)器，該反應(yīng)器配備了Hiden Analytical HPR-20質(zhì)譜儀，該質(zhì)譜儀具有高靈敏度和短響應(yīng)時(shí)間，因此可以連續(xù)監(jiān)測(cè)和量化廢氣流中的氣體種類(lèi)濃度。

        在反應(yīng)器操作期間選擇工業(yè)相關(guān)條件揭示了向進(jìn)料氣體中添加氫氣可用于控制甲烷轉(zhuǎn)化和抑制不期望的副產(chǎn)物的形成。類(lèi)似地，增加停留時(shí)間有利于高CH4轉(zhuǎn)化率并最大限度地減少副產(chǎn)物的形成。特別是，在1400°C的反應(yīng)溫度下實(shí)現(xiàn)了高CH4轉(zhuǎn)化率和H2產(chǎn)率。值得注意的是，在反應(yīng)器的穩(wěn)態(tài)操作過(guò)程中觀察到甲烷轉(zhuǎn)化率的持續(xù)增加，這表明由于熱解過(guò)程中積累的碳，甲烷活化得到了改善。用碳箔或碳網(wǎng)對(duì)反應(yīng)器壁進(jìn)行簡(jiǎn)單涂覆的附加實(shí)驗(yàn)證實(shí)了反應(yīng)器中存在的碳的有益效果。在本文中，碳一方面通過(guò)加速非均相沉積反應(yīng)，另一方面通過(guò)促進(jìn)煙灰前體的凝結(jié)，起到進(jìn)一步碳沉積的核的作用。

        未來(lái)的研究將集中在更詳細(xì)地闡明從一開(kāi)始就充滿碳顆粒的熱解反應(yīng)器中發(fā)生的化學(xué)和物理過(guò)程的復(fù)雜相互作用。

Project summary by: Dr. Patrick Lott and Prof. Dr. Olaf Deutschmann, Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Institute for Chemical Technology and Polymer Chemistry, 76131 Karlsruhe, Germany

Paper Reference: Lott, M. B. Mokashi, H. Müller, D. J. Heitlinger, S. Lichtenberg, A. B. Shirsath, C. Janzer, S. Tischer, L. Maier, O. Deutschmann: Hydrogen Production and Carbon Capture by Gas-Phase Methane Pyrolysis: A Feasibility Study. ChemSusChem (2023) e202201720. DOI: 10.1002/cssc.202201720

Hiden Product: HPR-20 R&D

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