在全球努力将气温上升控制在1.5℃以内的大背景下，实现温室气体净零排放成为各国的重要目标。目前，化石燃料的开采、提炼、运输和燃烧所产生的温室气体排放占全球总量的70%以上，因此，向低碳能源转型迫在眉睫。氢气作为一种极具潜力的零排放能源载体，在难以电气化的行业，如重工业、寒冷地区的空间供暖和重型运输等领域，发挥着关键作用。
当前，全球每年生产超7500万吨纯氢以及4500万吨含氢气体混合物，主要用于工业原料领域。其中，天然气重整是最主要的制氢方法，约占全球年制氢量的75%，但该过程会释放大量二氧化碳，所产生的“灰氢”每千克氢气伴随9-10千克二氧化碳排放。为了减少碳排放，“蓝氢”应运而生，即通过天然气重整结合碳捕获与利用/存储（CCUS）技术生产氢气，但该技术面临着成本高、运输复杂等问题。另一种制氢方式是水电解，能产生“绿氢”，但目前其在全球制氢总量中的占比不足0.1%。
图1.氢在零碳未来中的潜在应用.
在这样的背景下，甲烷热解制氢技术逐渐受到关注。该技术将甲烷分解为氢气和固体碳（CH₄ → C + 2H₂），整个过程不产生二氧化碳，所制得的氢气被称为“绿松石氢”。而且，产生的固体碳可用于生产橡胶轮胎、涂料，或作为土壤改良剂，甚至还能用于制造碳纤维、石墨烯等，具有广泛的应用前景。
1 催化甲烷热解
催化甲烷热解的反应机制主要有分子吸附机制和解离吸附机制。在分子吸附机制中，甲烷先吸附在催化剂表面，然后通过一系列表面脱氢反应逐步解离；在解离吸附机制中，甲烷在催化活性位点吸附时直接解离生成化学吸附的CH₃和H碎片。
图2.(a)分子吸附机理；(b)甲烷催化热解的解离吸附机理.
在催化剂方面，金属催化剂如Ni、Co、Fe等备受关注。Ni初始活性高，但易因积碳和中毒而失活；Co成本高且有毒；Fe相对廉价且无毒，稳定性较好。为了提高催化剂性能，研究人员尝试将不同金属组合使用，如Ni-Fe、Ni-Cu等。除金属催化剂外，碳基催化剂如活性炭、炭黑等也可用于甲烷热解，它们具有抗积碳中毒、成本低、抗硫中毒等优点。
催化剂的再生也是催化甲烷热解中的重要环节。当催化剂表面被碳覆盖而失活时，常用O₂、H₂O和CO₂对碳进行燃烧或气化来再生催化剂。
2 非催化甲烷热解
非催化甲烷热解由于C-H键较强，需要超过927℃的高温，反应会基于温度和停留时间产生多种产物，如H₂、C₂H₂、C₂H₄等。其反应机制一般认为涉及自由基反应，主要的反应步骤是甲烷解离为甲基自由基和氢原子。
微波甲烷热解是利用微波作为热源的一种非催化甲烷热解方法。微波能直接作用于反应介质，实现体积加热，具有能量传输效率高、氢气不吸收微波辐射等优点。等离子体甲烷热解是目前最先进的甲烷热解技术，技术成熟度较高，已在中试规模得到成功示范。
图3.微波驱动甲烷分解.
光热催化作为一种新兴的技术，在甲烷热解中展现出潜在的应用前景。光热催化甲烷热解结合光催化和热催化的协同效应，利用光能激发催化剂产生活性位点并产生局部高温，从而在较低整体温度下实现甲烷高效分解为氢气和碳。其核心优势在于：
降低能耗：通过光能替代部分热能输入，减少传统热解所需的高温；
增强反应动力学：光生热效应（光热转换）与光生电荷（光催化）共同促进C-H键断裂；
调控产物选择性：光激发可抑制副反应（如C₂+烃生成），提高H₂纯度。
基于此，J9九游会科技推出的PLR-RP/RT 系列光热/（热）催化反应评价装置为系统研究光热/热催化反应提供了平台。PLR-RP系列光热催化反应评价装置创新的石英柱导光方式以及反应器设计，提高了光源的辐照效率以及催化剂的吸光面积，满足光热协同催化下气固相反应的需求。PLR-RT系列催化反应评价装置精准的温度和压力控制体系能保证每次反应的重复性，实时的压力和温度监控能更好的还原化工反应过程，满足常规气固相催化反应的需求。(咨询电话：400-1161-365)
甲烷热解技术作为一种有前景的制氢方法，相比传统制氢方式，能显著减少温室气体排放，与现有天然气基础设施的整合也具有优势。然而，该技术在规模化、市场匹配、成本和政策等方面仍面临挑战。未来，需要进一步研究和创新，优化催化剂设计以提高其抗积碳性能和寿命，探索新型反应器设计以提高生产效率，开发碳副产物的高价值应用，同时，政府和行业需要共同努力，推动甲烷热解技术的大规模商业化应用，为实现全球净零排放目标贡献力量。
本文参考文献：
Alireza Lotfollahzade Moghaddam, Sohrab Hejazi, Moslem Fattahi, Md Golam Kibria*, Murray J. Thomson*, Rashed AlEisad and M. A. Khan *，et al. Methane pyrolysis for hydrogen production:navigating the path to a net zero future. Energy Environ. Sci., 2025,18, 2747-2790.
