在全球能源结构加速转型与先进材料需求同步增长的背景下，如何在降低碳排放的同时实现高附加值材料的规模化制备，正成为材料科学与能源工程领域的核心议题。近日，剑桥大学研究团队在《自然能源》杂志发表的一项研究，为这一问题提供了新的技术路径：通过对甲烷热解与浮动催化剂化学气相沉积（FCCVD）工艺进行系统性重构，实现了碳纳米管与清洁氢气的同步生产，且全过程不产生二氧化碳副产物。

这一成果的关键在于对既有甲烷热解体系的工艺逻辑进行深度改造。甲烷作为天然气和沼气的主要成分，长期以来被视为制氢和碳材料的重要原料。然而，主流的蒸汽甲烷重整工艺不可避免地产生一氧化碳和二氧化碳，使其在“低碳制氢”路径中饱受争议。相比之下，甲烷热解反应在理论上可直接将甲烷裂解为固态碳和氢气，避免氧参与反应，从根源上消除二氧化碳排放风险。

在过去的研究与产业实践中，甲烷热解更多被视为碳纳米管制备路线之一，其副产氢气通常被忽略或仅作为附带产物存在。剑桥大学团队关注到，若能在不牺牲碳纳米管质量的前提下显著提高氢气产率，甲烷热解有望从“材料工艺”升级为“材料—能源耦合工艺”。这一思路直接指向FCCVD体系中长期存在的效率瓶颈。

传统FCCVD工艺以甲烷为碳源，利用气相催化剂在高温条件下生成高质量、长径比优异的碳纳米管，在电池导电剂、高端复合材料等领域具有明显优势。但该工艺高度依赖外部氢气输入，用以稀释甲烷、防止烟尘生成。这种设计使FCCVD在放大过程中面临双重约束：一方面需要大量前置制氢能力，另一方面反应气体通常采用单程流动模式，大量未反应甲烷随尾气排出，整体原子利用效率偏低。

剑桥团队的突破正是从这一“单程—高损耗”模式入手。他们提出并验证了一种多程循环气流方案，使甲烷在反应器内反复通过高温热解区域，直至被充分转化。这一封闭式系统不再依赖外加氢气，而是通过反应自身逐步建立起适宜的气体组成，从而在抑制烟尘的同时维持碳纳米管的可控生长。

在实验设计中，研究人员构建了一个实验室规模的多程FCCVD反应器。甲烷气体在约1300°C的高温热解环境中循环流动，每一轮反应后仅抽取约1%的气体用于分离氢气，其余气体重新进入反应区继续参与反应。生成的碳纳米管被连续铺展并收集，而气相中的其他碳氢化合物及微量硫化氢并未对碳纳米管生长产生显著干扰。

这一循环策略带来的效率提升是显著的。研究数据显示，与传统单程FCCVD反应器相比，该系统的碳收率提高了8.7倍，而衡量分子级利用效率的摩尔过程效率则提升了446倍。这一结果意味着，每一个进入系统的气体分子都得到了更充分的转化和利用，反应器废物排放大幅减少。

进一步的模型分析显示，该多级反应器在工业化参数条件下，理论上可将系统中约75%的进料气体转化为目标产物，碳纳米管与氢气的产物比例约为3:1。这一比例对于同时服务材料产业与氢能应用具有现实意义：一方面，碳纳米管可作为锂离子电池导电添加剂，其需求正随着动力电池和储能市场的扩张持续增长；另一方面，副产氢气在不引入额外碳排放的前提下形成稳定产出，为氢能系统提供潜在低碳来源。

值得注意的是，研究团队还以甲烷与二氧化碳的混合气体作为进料进行验证，模拟沼气等可再生气源的组成。这一实验设计进一步拓展了技术的应用边界，使其不再局限于化石能源体系，而具备与生物质能源、农业废弃物处理系统相结合的可能性。在这一情境下，二氧化碳不再作为直接排放物，而是作为进料体系的一部分被“锁定”在固态碳材料中，形成新的碳循环路径。

从产业视角看，这项研究的价值并不在于短期内颠覆现有制氢或碳纳米管产业格局，而在于展示了一种高度集成化的工艺思路：通过反应器结构与气体管理方式的重构，在同一体系中同时实现材料制备与能源产出。这种“过程耦合”的理念，恰恰是当前新材料产业走向规模化、低碳化过程中最为稀缺的能力之一。

当然，从实验室反应器到工业级装置仍然存在诸多工程挑战，包括高温系统的长期稳定性、气体分离与循环控制成本、催化剂寿命以及碳纳米管连续收集的一致性等问题。但可以确定的是，剑桥大学团队所提出的多程FCCVD路径，已经在反应效率与资源利用率层面，为甲烷热解提供了一个全新的参照系。

在全球氢能与先进碳材料需求并行增长的背景下，这一研究成果展示了甲烷这一传统能源分子在新体系中的再定义方式：不再只是燃料或化工原料，而是连接清洁能源与高端材料的关键节点。如果该技术能够在未来实现可靠放大，其影响或将超越单一产业，成为低碳工业体系中一项具有示范意义的底层工艺创新。

原文信息：Peden, J., Ryley, J., Terrones, J. et al. Production of hydrogen and carbon nanotubes from methane using a multi-pass floating catalyst chemical vapour deposition reactor with process gas recycling. Nat Energy (2025). https://doi.org/10.1038/s41560-025-01925-3