生物质气化是一种将生物质转化成小分子合成气的生物质利用技术。由于生物质的高挥发分，在气化过程中不可避免的产生大量可冷凝的有机物（即焦油）。焦油的生成降低了气化效率，而且容易在后续管道和设备上冷凝导致堵塞和腐蚀等问题。目前，焦油问题成为生物质气化技术发展的瓶颈。与现有的焦油去除方法不同，本论文将焦油问题与催化化学沉积法结合，提出利用生物质焦油作为碳源，在镍基催化剂作用下制备富氢气体和高品位碳纳米管的新方法。在解决焦油问题的同时，得到高品位纳米碳材料，提高了系统的经济性。反应条件（水添加量、反应温度）、焦油组分、催化剂载体、添加助剂等因素对催化重整制氢和碳纳米管生长具有重要的影响。以实现高效催化焦油重整制氢和制备高品质碳纳米管为目标，在研究不同影响因素对两者作用过程的基础上，优化反应条件，分析催化重整反应机理和碳纳米管生长机理，进一步探究催化焦油重整和碳纳米管生长的耦合作用过程，以及铁助剂对两者的协同作用机理。　　选择甲苯、1-甲基萘和苯酚作为三种典型的焦油模型化合物，分别代表一环、二环芳香烃和酚类等大部分焦油组分。比较三种焦油模型化合物和乙醇对碳转化率、氢气产量、碳纳米管品质和产量的影响。四种有机物碳转化率和氢气产量大小顺序为1-甲基萘＜苯酚＜甲苯＜乙醇，与有机物中平均碳碳键键能的大小直接相关。小分子量和低不饱和度的有机物（乙醇和甲苯）容易发生重整反应产生更多氢气，其高碳转化率能够为碳纳米管生长提供更多的碳物种；而大分子量有机物（如1-甲基萘）会增加无定形碳的沉积。生长碳纳米管为多壁碳纳米管，其管径不仅由镍颗粒尺寸决定，同时与催化反应碳转化率相关。在碳转化率较低的反应中，小尺寸镍颗粒起到主要的催化作用，碳纳米管优先在小尺寸镍颗粒上生成；对于碳转化率高的反应，镍颗粒尺寸决定碳纳米管管径分布，但超过一定尺寸（本研究为45nm）的镍颗粒上很难实现碳纳米管的生长。　　在固定床催化反应器中研究不同水添加量（S/C=0、1、2、3）条件下Ni/α-Al2O3催化甲苯重整反应和碳纳米管生成特性，甲苯选择为典型焦油模型化合物。随着S/C的增加，焦油转化率、氢气产量和碳纳米管产量显著增加。S/C为2是最佳水添加量，氢气比例达到70%。水的添加量决定催化剂表面积碳的主要类型，在低S/C条件下，表面积碳以无定形碳为主，无定形碳覆盖在活性位上导致催化剂活性降低。在高S/C条件下，无定形碳容易被水蒸气消耗，碳纳米管在积碳中比例达到80%以上。Ni/α-Al2O3上碳纳米管生长遵循顶端生长机理，镍颗粒位于碳纳米管的顶端或附着在碳纳米管的表面，提高了镍的分散度和表面镍的含量，从而提高了催化剂的反应活性。　　不同载体镍基催化剂（Ni/γ-Al2O3和Ni/α-Al2O3）催化甲苯重整反应制备富氢气体和碳纳米管，同时比较不同生长机理碳纳米管对催化活性的影响。Ni/γ-Al2O3上生长碳纳米管管径要小于Ni/α-Al2O3，镍颗粒尺寸直接影响碳纳米管管径。在低S/C条件下，由于Ni/γ-Al2O3具有比表面积大、镍颗粒分散度高等优点，其催化甲苯转化率、氢气产量和碳纳米管形貌要优于Ni/α-Al2O3。在高S/C条件下，大量的碳纳米管在Ni/α-Al2O3表面生长，而Ni/γ-Al2O3上碳纳米管产量显著降低，表面被严重侵蚀。Ni/α-Al2O3作用下甲苯转化率和氢气产量要明显高于Ni/γ-Al2O3，这主要归因于Ni/α-Al2O3上碳纳米管生长对催化活性的促进作用。与Ni/α-Al2O3不同，Ni/γ-Al2O3上镍物种与载体之间存在强烈相互作用，碳纳米管生长主要遵循底部生长机理。随着反应的进行，镍颗粒位于碳纳米管的底部，表面镍含量和比表面积降低，从而导致催化剂反应活性降低。镍物种与载体相互作用决定碳纳米管的生长机理，不同生长机理的碳纳米管对催化剂反应活性具有不同的影响。　　根据不同温度下甲苯、苯酚和1-甲基萘等焦油模型化合物催化重整转化率，计算催化本征动力学。一阶反应动力学模型能够较好的应用于催化重整反应，1-甲基萘重整反应活化能最大，达到52.76KJ/mol，苯酚其次，甲苯最小。随着温度的增加，碳纳米管产量呈现先增加后降低的趋势，在650℃条件下生成碳纳米管产量和品质最佳。在800℃下，催化剂表面未观察到碳纳米管生成。根据对三相产物进行分析，催化焦油重整反应服从Langmuir-Hinshelwood(L-H)机理。催化重整反应和碳纳米管生长之间存在强烈耦合作用，催化重整反应为碳纳米管生长提供碳源，碳源的种类、含量等影响生成碳纳米管的管径、品质和产量。而碳纳米管不同的生长机理对催化重整反应活性具有不同的影响。　　通过不同铁添加量对镍基催化剂进行改性，改性处理后显著提高了催化剂反应活性、氢气产量、碳纳米管产量和品质。甲苯转化率从NA的55.1%增加到了F1N1A的73.68%。碳纳米管服从顶端生长机理，镍铁合金位于碳纳米管的顶端，其管径与金属颗粒尺寸分布基本一致，主要集中在10-25nm。与NA相同，F1N1A上大量生长的碳纳米管对催化反应活性具有促进作用。依据对催化重整和碳纳米管生长机理的研究，分析镍铁合金对促进催化重整反应和碳纳米管生长的协同作用机理。镍铁合金促进了反应物的吸附、分解和表面反应等。高活性的镍铁合金为碳纳米管生长提供更多的碳源，同时提高金属的溶碳能力，减弱镍与载体之间相互作用，抑制无定形碳沉积。从而促进碳纳米管的生长。