聚焦甲烷转化 “双价值”！上海交大联合团队研发新型催化剂，实现无碳制氢并同步产出钠离子电池用碳材料

氢能作为 21 世纪最具潜力的清洁能源，其绿色制备与高效利用是全球能源转型的关键。上海交通大学科研联合团队在《Journal of Materials Chemistry A》发表重要研究，提出一种经济环保的水滑石衍生铁基催化剂制备方案，聚焦解决催化甲烷分解（CMD）技术中催化剂易失活、成本高的核心难题，同时产出可应用于钠离子电池的高性能碳纳米管，为甲烷资源化利用与储能技术架起创新桥梁（如图1）。该论文的第一作者为博士研究生李小鑫，通讯作者为马紫峰教授和翁国明副教授。

传统甲烷制氢技术如甲烷蒸汽重整，存在能耗高、碳排放量大等问题。而尽管电解水制氢已在部分区域推进规模化装备示范、绿氢产业初具规模，但从全球能源结构来看，其整体规模化应用仍受高昂成本制约，未完全突破商业化普及瓶颈。催化甲烷裂解技术虽能实现无碳制氢并同步产出高价值碳材料，却长期面临催化剂因积碳快速失活、贵金属依赖等瓶颈。

联合团队创新地采用共沉淀法合成水滑石基前驱体，通过精准调控亚铁离子与铁离子的摩尔比，制备出系列 Fe 基混合氧化物催化剂（图2）。其中最优配方 Fe²⁺₇Al³⁺₃-O 表现尤为突出：在 730℃反应条件下，1.5 小时内甲烷转化率达 63.4%，氢气生成速率稳定在 30 mL g⁻¹cat. min⁻¹，持续反应 10 小时后仍保持 50% 的转化率，碳产率高达 9.509 gcarbon g⁻¹cat.。与传统浸渍法、熔融法制备的催化剂相比，该催化剂不仅成本降低（铁价仅为镍的 1/200），且高温稳定性优异，无需再生，可适配连续化反应装置。

甲烷裂解产生的碳产物经表征确认为竹节状和中空结构的碳纳米管（CNTs），长度介于 0.5-5µm，直径主要分布在 20-40 nm（图 3）。通过简单的酸回流纯化工艺，可有效去除催化剂颗粒、杂质及团聚体，获得开口结构（孔径 3.827 nm）的纯化碳纳米管（PCNT）（图4）。

该研究表明，该纯化碳纳米管展现出卓越的电化学性能：作为导电添加剂应用于钠离子半电池时，欧姆电阻低至 3.12 Ω，优于商用碳纳米管（3.79 Ω），循环 127 次后仍保持稳定放电容量（图 5），其分散性与导电性能可满足高性能电池需求。这一发现实现了 “制氢副产物” 的高价值升级，让甲烷分解过程同时产出两种战略资源。

该技术的创新点不止于催化剂性能提升：共沉淀法制备过程无有害气体排放，相较于传统方法更具环境友好性；催化剂中铝元素形成的铁铝尖晶石（FeAl₂O₄）结构，有效抑制催化剂烧结与积碳包裹，大幅延长使用寿命；而针对复杂烃类混合气体的催化测试表明，该催化剂可适配经前处理去除 NOₓ、硫化氢等杂质后的天然气、生物质气等实际工业气源，应用场景广泛（图6）。

Xiaoxin Li , Shuzhi Zhao , Chao Deng , Rong Chen , Furong Xie , Zinan Wu , Zi-Feng Ma and Guo-Ming Weng. Cost-Effective Hydrotalcite-Derived Fe-Based Catalysts for Stable and Continuous Catalytic Methane Decomposition. Journal of Materials Chemistry A, 2025, DOI: 10.1039/D5TA07274C.