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本文根据碳纤维生长活性对催化剂的要求设计了催化剂及其制备条件。以多组份共沉淀制备的Feitknecht 化合物为母体,经过煅烧、还原制得准晶态、还原后金属颗粒大小为几到十几纳米的、高活性的镍基催化剂。对甲烷催化裂解制氢和生产碳纳米纤维两个过程耦合的可能性进行了研究。对碳纳米纤维的生长过程、形态、机理及其性质和初步应用进行了探索。采用XRD、DTA、TPR、化学吸附仪及TEM 等手段研究了Feitknecht 结构及其生成条件、煅烧后所得混合金属氧化物、以及还原后金属镍催化剂的结构及影响因素。研究表明,适当共沉淀条件下Feitknecht 结构可以在很宽的组成范围内生成。该结构煅烧得到氧化镍晶格为骨架的混合金属氧化物,Al2O3 或CuO 均匀掺杂在氧化镍晶格中,不存在它们的结构特征,但造成NiO 晶格畸变。在合适还原条件下生成纳米级准晶态的镍颗粒,其结晶度、颗粒大小受母体结构、组成以及煅烧、还原等处理条件影响。以热力学为基础,对甲烷裂解制氢和生产碳纤维的过程进行了能量和物料衡算,对其可行性进行了分析。与甲烷水蒸汽重整制氢过程比较,本文提出的过程工艺简单,生产单位体积氢气所需能量比后者低40%以上,同时一步获得固态材料碳纳米纤维。采用管式反应器对甲烷裂解制氢和生长碳纤维两个过程的耦合进行了研究。实验表明,甲烷裂解过程中氢气是唯一气相产物,甲烷裂解转化率,碳纳米纤维的生产量与催化剂结构和反应条件有关,反应温度低时,催化剂寿命较长,但甲烷转化率低;反应温度越高,转化率越高,但催化剂寿命越短。773-873K 时,甲烷的转化率在20%左右,生成碳纳米纤维为颗粒状,单位重量镍上生成碳纤维的量一般在100-600gC/gNi,得到气相产品中氢气含量在33 vol%左右,1023 K 下,可以得到82%的氢气和191gC/gNi,过程耦合的很好。用热天平反应器对催化剂上碳纤维的生长过程进行了研究。结果显示,773K 左右,Ni/Al2O3和Ni-Cu/Al2O3催化剂上碳纤维生长有很高的活性,催化剂上碳纤维的生长速率与催化剂的组成和结构、反应温度以及反应气氛等因素有关。在甲烷与氮气混合气中,Ni/Al2O3催化剂上碳纤维的生长速率比Ni-Cu/Al2O3催化剂上生长速率高,但失活比后者快;同一类催化剂中金属的结晶度越低,催化剂颗粒越小,反应温度越高,碳纤维生长的速率越高,催化剂失活也越快。催化剂上碳纤维的生成量由生长速率和活性期两者决定。在甲烷中加入氢气能抑制碳纤维的生成,使生成温度升高,随着催化剂中铜含量的升高,碳纤维生成量得到改善。采用XRD、SEM、TEM 和HREM 对碳纤维的结构和形态进行了研究。结果表明,生成的碳纳米纤维有很高石墨化程度,碳纤维碳层间距在0.34nm 左右,和石墨晶体的层间距接近。每个催化剂颗粒构成一根碳纤维的顶端,催化其生长。碳纤维