近日，6163银河线路检测中心量子材料科学中心王恩哥院士、凝聚态物理与材料物理研究所刘开辉教授联合6163银河线路检测中心化学与分子工程学院马丁院士与西北工业大学柔性电子研究院李致朋教授及合作者在《先进材料》（Advanced Materials）上发表研究论文“基于镍原子晶格的天然气中氢气和石墨的分离”（Separation of Hydrogen and Graphite from Natural Gas Through Nickel Atomic Lattice）。团队提出一种基于“镍原子晶格分离”的新方法，实现了天然气中能量与物质的解耦，在高效制取清洁氢气（能量）的同时,将碳元素固定为高附加值的石墨（物质），为天然气的近零排放高效利用开辟了全新路径。

在全球变暖与减排压力持续加剧的背景下，化石能源的清洁低碳化利用至关重要。天然气作为占全球化石能源消费约三成的支柱能源，其清洁化利用备受关注。无论是燃烧、重整还是裂解等利用路径，天然气转化过程都涉及“能量转化”与“物质演变”这两个基本过程。如何实现能量利用效率提升与碳物质有序转化的协同优化是天然气高效利用过程中必须面对的共性问题。

在天然气热裂解制氢体系中，这一矛盾尤为突出。其中，氢气生成与碳沉积过程高度耦合，并且通常在同一催化界面同时发生，导致两者相互制约。一方面，生成的碳产物多为低附加值无定形碳；另一方面，碳在催化剂表面的持续沉积易引发“积碳失活”，导致系统难以长期稳定运行。因此，如何将能量（氢）与物质（碳）的转化路径有效解耦，在提升制氢效率的同时实现碳产物的高值化，是领域内亟需解决的关键科学与工程难题。

围绕天然气高效益产氢这一关键问题，研究团队提出了一种“镍原子晶格分离”的思路。该设计利用镍卷构建出内外分离的独特物理空间，实现了气固反应的完美分流。其中，天然气在镍卷内管流动，在泡沫镍催化下高效裂解，产生氢气和活性碳原子；随后，这些碳原子溶入镍箔，并穿过镍晶格向外扩散；最终，碳原子在镍箔外侧析出，外延生长为高品质的石墨（图1）。通过这种空间分离与路径解耦，天然气中的能量与物质实现了空间分离与路径解耦，使氢气生成与石墨生长互不干扰、协同进行。这不仅从根本上避免了积碳导致的催化剂失活问题，还实现了高附加值晶体石墨的同步制备，为天然气的高效、低碳、高附加值利用提供了新路径。

在关键性能方面，该方法在转化效率、系统稳定性及产物质量上均实现了重大突破。甲烷转化率超过99%，系统连续稳定运行时间突破300小时，且核心结构可循环使用5次及以上。碳产物方面，产出的晶体石墨纯度极高（杂质含量仅约10 ppm），热导率达1750 W·m^-1·K^-1，同时，该石墨可直接用于制备单层石墨烯器件，展示出优异的电学性能。此外，制得氢气后，团队进一步将该系统与固体氧化物燃料电池进行集成验证。实验结果显示，以分离后得到的富氢气体作为燃料，电池最高功率密度可达1.0 W·cm^-2，稳定运行时间超过300小时，发电效率约57%。利用该集成系统，团队成功实现了对智能手机的充电展示，打通了从“清洁制氢”到“高效用氢”的完整链路。

图1：天然气高效益产氢中氢气与石墨的原子晶格分离

6163银河线路检测中心2021级博士研究生赵孟泽、特聘副研究员张志斌、2023级博士研究生王悰，以及西北工业大学冯鹏副教授为论文共同第一作者；刘开辉、王恩哥、马丁、李致朋为论文共同通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金委员会、广东省基础与应用基础研究重大项目、腾讯基金会等相关项目及6163银河线路检测中心纳光电子前沿科学中心、量子物质科学协同创新中心，西北工业大学柔性电子前沿科学中心等的大力支持。

论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202518450