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本论文采用了一系列碳基材料包括活性炭、煤半焦、活性炭负载的Ni催化剂作为甲烷裂解的催化剂以制备不含COx的氢气，考察了影响甲烷裂解的各种因素，对流化床反应器应用于碳基催化剂催化裂解甲烷制氢进行了研究，同时探讨了甲烷裂解渗炭对焦炭与CO2反应性的影响。主要内容如下：
(1)研究了甲烷在活性炭上的催化裂解制氢
结果表明：活性炭对甲烷的裂解有一定催化作用，且这种催化作用受实验条件影响很大。甲烷在几种活性炭上的裂解表现出相近的行为，初期转化率较高，然后降低至一个平稳的阶段。反应后活性炭由于甲烷裂解积炭引起比表面积和孔容降低，平均孔径增大。活性炭中矿物质对甲烷裂解影响不大；甲烷在活性炭上裂解的初始速率与活性炭比表面积没有明显相关性，和表面含氧官能团的数量有一定相关性，而甲烷裂解总量与活性炭的孔容有较好相关性。甲烷在活性炭上的裂解呈现0.5级反应，反应活化能在117-185kJ/mol范围内。碳质与非碳质载体的性质区别及甲烷在载体上裂解的步骤，决定了其不同的催化裂解甲烷性能，以及反应后载体的性质变化。
(2)研究了以煤半焦为催化剂的甲烷裂解制氢反应
研究表明：由褐煤直接炭化所得半焦表现了优于活性炭的甲烷裂解初始转化率，但半焦催化稳定性要比活性炭差。半焦中矿物质对半焦催化裂解甲烷性能影响不大，但是其中的金属却影响了积炭的形态。CO2再生能使半焦比表面积和孔容增大，且有大部分中大孔生成，从而改善了半焦的催化活性及稳定性。
(3)研究了甲烷在活性炭负载的Ni催化剂上裂解制氢以及纤维炭
结果发现：活性炭本身的还原性使镍在活性炭上以金属Ni的形态存在，简化了催化剂的预处理。程序升温及恒温条件下的研究表明，Ni金属的加入提高了活性炭裂解甲烷的整体性能。反应后的Ni/AC催化剂，Ni粒度明显增大，且有Ni3C的生成，导致了催化剂活性及稳定性的下降。甲烷在Ni/AC催化剂上裂解后有纤维炭生成，其生成量及性质与反应条件有关，在适中的温度(750℃)下可以获得大量均匀的纤维炭。CO2再生使得Ni/AC中、大孔分布增加，而且镍仍然以与新鲜催化剂相同的金属Ni形态存在，所以一次再生后Ni/AC能很好地恢复活性。
(4)研究了流化床反应器中甲烷在活性炭上的裂解
结果证实：流化床反应器中甲烷在活性炭上的裂解反应，与在固定床中的裂解行为相似，说明两种反应器中甲烷在活性炭上裂解机理是相同的。相同温度下，流化床反应器表现了较高的甲烷裂解初始速率，且有较好的甲烷处理能力。流化床操作条件，包括气体流量、活性炭粒度等对活性炭催化裂解甲烷的性能影响很大。流化床中Ni/AC表现了较好的催化甲烷裂解的活性及稳定性，而煤制半焦在一定时间内也有较好的稳定性。
(5)研究了甲烷在焦炭上的裂解及对焦炭的渗炭作用
TG-MS实验说明，甲烷存在下焦炭先失重后增重，失重主要因为加热时H2O及CO2的逸出，增重主要是因为甲烷分解的炭沉积于焦炭孔洞内。固定床实验表明，渗炭后的焦炭由于炭沉积于焦炭的表面并堵塞了其孔口，降低了焦炭比表面积和孔容，同时沉积于焦炭表面的积炭阻碍了焦炭本体与CO2的反应，降低了焦炭的反应性；且反应性的降低程度随着渗炭温度和甲烷浓度的提高而增加。