人类社会发展对于塑料制品日益增长的需求使得塑料废弃物迅速增加,海洋塑料微粒、塑料星球等废塑料带来的环境危机亟待解决。如何实现废塑料的清洁、高值化利用成为废塑料回收利用的关键。在欧盟地平线H2020项目、国家自然科学基金项目支持下,本文通过催化热解工艺,将废塑料转化为富氢气体和高品质的碳纳米管材料,重点考察了实现废塑料高效热解转化的镍基催化剂制备、优化方法,探讨了产物气和固体碳品质的调控方法,解析了双金属Ni-Fe催化剂对废塑料热解联产氢气和碳纳米管的协同催化机理,揭示了碳纳米管的生长机制。主要研究工作如下:首先,以高密度聚乙烯为原料,在两段式固定床上开展了塑料的热解-水蒸气重整反应,探究了不同分子筛载体的镍基催化剂对催化废塑料热解气化制备富氢合成气特性的影响。研究发现ZSM5-30为载体时,镍基催化剂活性最高,H₂和CO产量分别达到66.09和34.63 mmol g^-1_plastic,且积碳量最低,而Ni/Y-zeolite-30为载体时活性最低,易积碳（约6 wt.%）;而相比分子筛结构类型,Si/Al比例对废塑料热解气体产物的影响较小。镍基分子筛优异的催化活性归功于载体内部丰富的孔隙结构,有利于活性组分Ni的均匀负载和渗透,为反应中间产物提供更多与催化活性接触反应的机会。为了进一步提高镍基催化剂催化活性,研究了催化剂的制备方式（浸渍、共沉淀、和溶胶凝胶）对废塑料热解挥发分重整制备富氢特性的影响。发现溶胶凝胶法制备的Ni基催化剂具有较大的比表面积（305.21 m²/g）和发达的孔隙结构,镍颗粒尺寸小（15.40 nm）,从而表现了更高的氢气产率。共沉淀法制备的Ni/Al-Co在反应中易沉积无定形碳,导致在反应中快速失活。同时研究了废塑料的种类对制氢特性以及催化剂活性的影响,发现聚烯烃类塑料的催化裂解反应活性要强于聚芳香类塑料,产物中H₂和焦碳产率较高;而对催化重整反应两类塑料的反应活性则相反,聚芳香类塑料中的碳多以CO存在于产物气中。三种废塑料中聚苯乙烯得到的合成气产率最高,Ni/Al-Sg催化下H₂和CO产量分别达到62.26和36.10 mmol g^-1_plastic。然后,采用两段式固定床,研究了催化剂载体和金属活性组分差异对废塑料催化热解联产富氢气体和碳纳米管的影响。载体γ-Al₂O₃相比α-Al₂O₃,尽管碳产率较低,但其负载金属后催化活性高,H₂产量大,且产物碳中无定形碳产率低而碳纳米管产率高。然后以γ-Al₂O₃为载体制备了Ni和Fe单金属催化剂,研究发现相比催化剂载体,金属活性组分对产物的影响更大,Fe/γ-Al₂O₃催化剂下H₂产率和碳纳米管产率分别达到了22.9 mmol g^-1_plastic和195 mg g^-1_plastic,均高于镍基催化剂,而镍基催化剂得到的气体产率更高。基于Ni和Fe在催化过程中的作用,提出了Ni-Fe双金属催化裂解废塑料制备富氢气体与碳纳米管的思路,并研究了镍和铁相对含量对氢气和碳纳米管形成特性的影响,并揭示Ni、Fe对于产物的作用机理。研究发现相比单金属催化剂,双金属Ni-Fe/γ-Al₂O₃催化剂由于其金属组分与载体之间合适的相互作用,催化活性最高,氢气产率和浓度分别达到31.8 mmol g^-1_plastic和62.88 vol.%。并且得到的碳纳米管形貌均匀,管径在20⁴0 nm之间,产率高达287.06 mg g^-1_plastic。随着双金属催化剂中Fe含量的增加,热解挥发分的热裂解反应增强,固体碳产率增加,同时表现出了更高的H₂选择性;而双金属催化剂中Ni含量的提高有利于提高产物碳纳米管的热稳定性和石墨化程度。最后,为了揭示碳纳米管的生成机制,本研究对不同反应条件条件下双金属Ni-Fe催化剂催化塑料热解-重整得到氢气和碳纳米管特性进行了研究,并采用透射电镜、选区电子衍射、X射线衍射分析,揭示双金属Ni-Fe催化碳纳米管的形成过程和生长机制。研究发现,催化温度的提高有利于氢气以及产物碳中纤维状碳的生成,而过高的催化温度由于易引起金属的熔融团聚会导致碳纳米管选择性降低;水蒸气的引入可显著促进氢气和CO的产率,而同时碳纳米管品质明显下降。而碳纳米管的形成主要由催化塑料热解挥发分裂解形成的无定形碳在Fe₃C和Ni-Fe共晶态的催化下扩散并析出石墨烯碳,碳纳米管的生成遵循气-液-固（VLS）扩散模型;而在碳与金属颗粒的界面毛细力、金属颗粒内部张力的竞争作用下,碳纳米管的生长方式在高催化温度下以顶部生长为主,而在较低温下主要以底部生长为主。