随着我国“碳达峰、碳中和”双碳目标的提出,寻找可持续的清洁高效能源是解决当今世界能源问题的关键。目前,氢能作为一种高效的清洁能源以其来源广、高热值和无污染的优势,使得氢能相比于其他能源具有更大的发展潜力。近年来,高效制氢方法甲烷裂解制氢因其产物只有固体碳和氢气,无二氧化碳排放受到广泛关注。但是,该反应需要使用催化剂降低反应温度来达到合适的氢产率,目前所使用的催化剂种类主要包含碳基催化剂和金属催化剂。金属催化剂活性较高,但易失活,并且成本较高,而碳基催化剂因其成本低、耐高温的特点而被广泛研究。其中,活性炭（AC）具有丰富的孔隙结构,比表面积较大,具有良好的气体吸附性,初始转化率高,但易因积碳失活。相比之下,炭黑虽初始活性较低,但其稳定性较好。因此,本文提出将炭黑负载于活性炭的孔隙结构中,使其具有较高初始活性的同时还具有更好的稳定性,达到延缓失活的效果,并通过合理的制备流程、实验设计、表征分析和分子模拟等方法探究炭黑改性活性炭增强化学链甲烷裂解制氢机理。主要的研究内容如下:首先,将不同浓度炭黑分散液和活性炭通过超声震荡、机械搅拌等方法制备了AC/CB-1.0、AC/CB-0.5和AC/CB-0.25三个浓度梯度的样本,并对其进行负载量计算和表征分析。结果表明,AC/CB-1.0表面炭黑无聚集现象且炭黑颗粒细小、分散度最高、但负载量最小仅为16%;负载量为40%的AC/CB-0.5样品中有大量炭黑附着在活性炭表面但有炭黑团聚现象发生;AC/CB-0.25中表面观察到少量炭黑负载且以较大团聚物形式存在。并且AC/CB-0.25以及AC/CB-0.5的活性炭孔隙结构受到破坏且部分活性炭颗粒表面有裂缝产生,相比之下,AC/CB-1.0表面孔隙结构以其突出结构具有更大的完整性。其次,将上述三种催化剂分别在900℃、950℃、1000℃的反应温度下进行甲烷裂解制氢实验,通过对比实验发现,甲烷转化率整体表现为AC/CB-1.0＞AC/CB-0.25＞AC/CB-0.5＞AC。其中,AC/CB-1.0样品催化性能最好,不仅初始甲烷转化率大幅度提升,而且失活时间有所延长。通过SEM、XPS、XRD、BET等表征方法对其表面物理化学性质进行对比分析可知,炭黑负载使活性炭微孔体积增加,并使其结晶程度变高,化学结构有序性变强,且样品反应前后含氧官能团种类及浓度显著变化,因此,活性炭微孔体积及表面羟基、羰基、羧基官能团的变化与其催化活性密切相关。最后,通过HRTEM表征方法、分子模拟的方法研究了其表面沉积碳的生长机理和孔径及其官能团因素对甲烷在活性炭上的吸附影响,探究了炭黑改性活性炭增强化学链甲烷裂解制氢机理。结果表明:炭黑负载使活性炭微孔体积增加,有利于活性炭提高甲烷分子初始吸附性能,随着反应进行,负载炭黑诱导活性炭生成碳丝积碳覆盖其表面并堵塞孔道;与此同时,羧基官能团被不断消耗,均不利于活性炭对甲烷分子的吸附,但炭黑负载生成的沉积碳随着反应的进行不断增加,为其提供了新的活性位点,且反应速率与活性位点数目成正比,促进了反应的进行;但活性位点很快会被网状沉积碳所覆盖,活性位点的生成速率远不及活性位点因覆盖而导致的消失速率,活性位点不能保持平衡,最终导致催化剂的失活。