本技术介绍了一种利用超声辅助技术改性碳基材料以制备高效催化剂的方法，并探讨了该催化剂在催化甲烷裂解制氢过程中的应用。该方法采用成本低廉、热稳定性高的碳基材料作为原料，通过超声辅助Na和I添加，增强了催化剂的性能。
背景技术
随着气候变化、能源安全问题日益突出，世界各国都在寻求通过大力发展清洁能源的方法来推动能源变革、实现绿色发展。在全球能源结构转型的大背景下，氢能作为一种清洁、高效且可再生的能源形式，受到了广泛关注。在自然界中，只存在极稀少的游离状态氢，大部分氢原子以化合态存在。目前天然气制氢的技术主要有：甲烷蒸气重整、甲烷干重整、甲烷部分氧化和甲烷裂解技术。其中，甲烷蒸气重整制氢产量占氢气生产总量量的48％。但是甲烷水蒸气重整技术的产物除H2
外，还生成大量的CO2
，后续分离提纯工作复杂，氢气的纯度不能保证，且工艺复杂，成分本高，不利于产业化。
甲烷裂解制氢是通过甲烷分子中的碳氢键断裂，生成H2
和固体碳的一种方法，该技术气体产物只有氢气，不需要额外的分离技术，简化生产工艺，降低了制氢成本。但由于甲烷分子具有极强的稳定性，通常在1200℃以上才能拥有较高的转化率，这对能量消耗以及反应器材料都提出了更高的要求。为降低甲烷裂解反应的活化能，进而提高甲烷转化率，提出了甲烷催化裂解制氢技术。制氢过程中，选择具有高催化活性和高稳定性的催化剂材料是此项技术的关键。Ni、Co、Fe等金属催化剂由于具有良好的催化活性被广泛应用于甲烷催化裂解制氢技术，但是金属催化剂材料的成本较高、易烧结以及碳沉积引起的催化剂失活使其在工业应用方面受到限制。具体技术缺点如下：
(1)目前通过甲烷制氢的方法主要是甲烷蒸气重整技术，该技术主要反应为：CH4
+H2
O→CO2
+3H2
ΔH298K
＝206kJ/mol，由于反应需吸收大量热量且生成物中含有温室气体成分CO2
，需进一步分离提纯，增加了制氢成本。
(2)甲烷分子中的碳氢键具有很好的对称性和稳定性，使得甲烷成为一种非常稳定的分子，因此甲烷热裂解制氢技术的反应温度通常高于1200℃，反应消耗大量的能量且对反应器材料提出了更高的要求。
(3)目前用于甲烷催化裂解的催化剂主要为Ni、Co、Fe等金属催化剂材料，虽然这些催化剂材料在催化甲烷裂解反应中表现出了较高的催化活性，但是由于易烧结、碳沉积等问题造成催化剂材料快速失活以及较高的成本，影响了其在工业上的应用。
(4)碳基催化剂材料由于来源广泛、价格便宜、较高的热稳定性以及抗硫性等优点被用于甲烷催化裂解制氢，但是其催化甲烷裂解效率较低。
为降本增效，研究了碳基材料在催化甲烷裂解技术的应用。碳基材料价格低廉、来源广泛且具有较高的热稳定性和抗硫性，是催化甲烷裂解制氢的良好催化剂。但是，碳基材料催化甲烷转化效率上，与金属催化剂材料相比还存在一定的不足。
通过改性碳基材料以丰富催化剂表面官能团增加活性位点能够提升其催化甲烷裂解反应活性，但是通过常规改性技术制备催化剂材料过程中，不能够深入催化剂内部孔隙结构，造成催化剂孔径分布不均匀，进而影响所制备催化剂的催化活性。
CN113307225A公开了一种利用炭黑增强活性炭稳定催化甲烷裂解制氢的方法与应用。采用8～16目椰壳活性炭为载体负载炭黑，经过一系列制备流程将两种碳催化剂相结合，于850～1000℃常压下反应，该催化剂具有更高的初始转化率并表现出延缓失活的效果。但该技术方案将炭黑负载于活性炭催化剂表面，且需要经过酸洗等一系列步骤，整个催化剂制备过程复杂且周期较长。
CN106865498B公开了一种以炭材料为催化剂制备氢气和纤维碳的方法，以含有甲烷和氢气的混合气为原料，以炭材料为催化剂，于600～1200℃、常压下反应。其中，氢气占混合气总流量的1％～90％，该方法有效地改善了炭材料催化甲烷裂解制氢的稳定性。但该技术方案改变原料气组分，通入甲烷和氢气的混合物，但并未从根本上提高甲烷转化率。
实现思路