劍橋大學的研究人員成功實現同時生產碳納米管（CNT）和清潔氫燃料，並且在過程中沒有產生二氧化碳作為副產品，這一突破是通過將甲烷氣體循環利用來達成的。這種方法不僅提高了碳納米管的生產效率超過八倍，還產生了大量的清潔氫燃料。氫氣作為一種燃料來源，因其完全燃燒而不產生碳排放而受到廣泛追捧。隨著各國尋求擺脫化石燃料，氫氣的需求正在上升。
然而，現有的氫氣生產方法，例如蒸汽甲烷重整，會產生一氧化碳作為副產品。劍橋大學的研究人員探索了一種涉及甲烷的反應，該反應可以產生少量氫氣作為副產品，稱為甲烷熱解。這種反應旨在生產可用作鋰離子電池導電添加劑的碳納米管，這一領域目前的需求也在快速增加。
研究人員希望改進熱解反應，以便生成大量氫氣作為副產品。當前的碳納米管生產過程通常使用流化床或包裝床反應器。多年來，研究人員嘗試轉向氣相催化劑，這可以產生更高質量、更長的碳納米管，從而提高電極的性能。這種名為浮動催化劑化學氣相沉積（FCCVD）的方法使用甲烷，但同時需要將其稀釋以防止煙灰的形成。
在這一過程中，氫氣的需求量大，使得擴大FCCVD的規模面臨挑戰。最終，該反應所產生的氫氣量略高於進料量。FCCVD使用單次進料的設置，甲烷氣體在進入反應器後便被釋放，這導致了顯著的浪費。劍橋大學的研究人員決定循環甲烷氣體流，直到所有的甲烷被消耗，從而生產碳納米管，這樣就不再需要額外的氫氣投入。
目前，只有一個FCCVD系統在試點階段運行，使用單次配置。為了演示他們的多次進料系統，研究人員建立了一個實驗室規模的反應器。在氣體流經熱解反應器的過程中，溫度達到 1,300°C（2,372°F），1% 的氣體被去除以排出氫氣，同時碳納米管在一個墊上滾出。該氣體中還包含其他碳氫化合物和硫化氫，但這些不會影響碳納米管的生產。使用封閉系統顯著減少了反應器產生的廢物。
研究團隊報告稱，與單次進料反應器相比，他們的多次進料系統在碳產量上有 8.7 倍的提升，並在摩爾過程效率上有 446 倍的改善。摩爾過程效率是一個衡量系統如何有效利用每個氣體分子的指標。為了確定該系統在現實世界中的運行方式，團隊使用商業工廠的數據運行了計算模型，以達到準確的模擬結果。研究顯示，多次進料反應器能以 3:1 的比例轉換系統中 75% 的氣體為碳納米管和氫氣。
這一實驗室反應器還與由甲烷和二氧化碳組成的氣體進料協同工作，試圖模擬生物氣體工廠的產出。如果這一方法能夠擴大規模，科學家將能夠生產高質量的碳納米管和清潔燃料。該研究結果已發表在《Nature》期刊中。
