劍橋大學（University of Cambridge）的研究人員開發(fā)了一種方法，通過循環(huán)甲烷氣體，實現(xiàn)碳納米管（CNT）和清潔氫燃料的同時生產，并且不產生二氧化碳副產物。該方法使碳納米管的產量提高了八倍以上，同時還能大量生成清潔氫燃料。
氫氣是一種備受關注的燃料，因為它燃燒完全，不產生碳排放。隨著各國推動減少化石燃料使用，氫氣需求不斷上升。然而，目前的氫氣生產方法，如蒸汽甲烷重整，會產生一氧化碳等副產物。
劍橋的研究人員關注另一種涉及甲烷的反應，該反應會產生少量氫氣作為副產物。這種稱為甲烷熱解的反應，旨在生產可用于鋰離子電池的碳納米管，這一領域的需求也在不斷增加。
劍橋研究人員探討了如何優(yōu)化熱解反應，以生成大量氫氣作為副產物。目前，碳納米管的生產通常使用流化床或固定床反應器。多年來，研究嘗試改用氣相催化劑，可生產高質量、較長的碳納米管，從而在電極中表現(xiàn)更優(yōu)。該過程稱為浮動催化化學氣相沉積（FCCVD），使用甲烷，但需要與氫氣稀釋以防止生成煙灰。
FCCVD的放大存在挑戰(zhàn)，因為它從一開始就需要大量氫氣。最終反應產生的氫氣僅略高于輸入量。傳統(tǒng)FCCVD使用單通道設計，即甲烷氣體進入一次反應器后排出，導致大量浪費。劍橋研究人員決定循環(huán)氣流，直到所有甲烷被消耗生成CNT，從而消除了額外氫氣的需求。
目前，只有一個FCCVD系統(tǒng)在試點規(guī)模下使用單通道配置。為了驗證多通道系統(tǒng)，研究團隊建造了實驗室規(guī)模的反應器。當氣體流經過2372°F（1300°C）的熱解反應器時，1%的氣體被移除以回收氫氣，而碳納米管則卷到墊子上。氣體中還含有其他碳氫化合物和硫化氫，但這些不會影響CNT產量。
使用封閉系統(tǒng)顯著減少了反應器產生的廢氣。與單通道反應器相比，研究團隊在論文中報告了“碳產率提升8.7倍，摩爾過程效率提升446倍”。為了評估實際運行情況，研究團隊基于商業(yè)工廠數(shù)據(jù)進行了計算機模擬。結果顯示，多通道反應器設計可將系統(tǒng)中75%的氣體轉化為CNT與氫氣，比例為3:1。
實驗室反應器還可使用甲烷與二氧化碳混合氣源，以模擬沼氣廠的產出。如果這一方法可以放大，科學家就能同時生產高質量碳納米管和清潔燃料。
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