低温等离子体催化剂协同催化CO2转化进展.docx

低温等离子体催化剂协同催化C02转化进展一、研究背景化石燃料大量燃烧导致的过量CO2排放所造成的温室效应和极端气候问题日益严峻，开发以C02为原料的碳资源清洁利用技术对于解决能源短缺和环境问题具有广阔前景。然而，C02热力学性质稳定，理论上需1600K以上高温才能断裂化学键（C=O键能为783kJmol）,其转化过程需要高能量注入。目前，高温热催化、光催化、电催化及其耦合方法蓬勃发展，但仍面临温和条件下C=O化学键选择性活化和定向转化难题。低温等离子体中存在大量高能电子、离子、自由基等活性粒子，可在远离热力学平衡的低温条件下断裂惰性化学键和降低反应能垒，与催化剂结合可进一步调控微纳时空尺度的粒子行为，实现目标产物定向生产。本文对最近几年来国内外低温等离子体催化CO2直接分解、CO2/CH4重整、C02加氢和C02参与的其它反应进行概述，特别关注了等离子体-催化剂在反应中的协同效应和转化机制，同时也对典型转化性能进行归纳。基于目前的研究现状，分析了等离子体-催化剂协同催化C02转化中存在的问题与挑战，主要包括工艺放大、产物纯化以及转化效果和能量效率解耦等问题。最后对未来的发展方向进行了展望。二、重点内容本文以等离子体催化C02直接转化（C02分解）和间接转化（co2ch4重整、C02加氢和其他反应）反应为主线展开,从宏观参量实验，数值模拟仿真和等离子体-催化协同效应探究等方面对近年来国内外研究现状进行介绍，从各C02转化路径的反应原理出发，给出对应的转化性能指标并分析等离子体气相反应和表面催化反应对转化效果的贡献，着重概述反应中等离子体-催化剂的协同效应。最后，结合当前研究现状提出等离子体-催化剂协同转化CO2所面临的挑战，并提出该领域未来在基础研究和工业应用方向的展望。阿接及反应网技微发反陶（冷等离，体主第MI）0123强功能级/eV斤悚依松(.”>COJ(VJYOj<y.KXMLjWOj(yJCOj(*.HCO1(iICoJ(Vj*CO*O自由生反攻(Mnnr<<>O*CO:-*O3÷COjM*<().-O÷C(1*M啜附衅寓反应cCOlO*co图3低狙等体弱动CO:*离的珞元路柠R4等离子体-双金寓NFeflf化剂协同COJ甲烷化反f机算M图6号离/体催化DRM在不同价态催化剂入的牛成液态产物可他的反应路冲网三、结论随着温等离子体-催化剂协同催化C02转化技术的研究深入，现阶段在研究较为成熟的等离子体驱动C02裂解和Co2/CH4干重整技术中可实现较为理想的C02转化效果和能量效率，但在规模化应用上仍面临以下问题：1）低温等离子体C02转化的研究装置多为小型交流电源/脉冲源激励即可实现稳定放电的反应单元，处理通量与工业量级有显著差距，对应的放大工艺会面临反应器设计，激励耦合以及负载匹配等问题；2）等离子体-催化C02转化过程的反应活性高，产物组成类型一般较为复杂，需配套后级纯化装置对产物选择性分离，而常规的分离手段多涉及到压力、温度的骤变，可能会对气体放电过程产生一些干扰，从而影响转化效果，设计并研制等离子体系统专用的分离装置也待完善；3）等离子体技术的转化率和能量效率与等离子体激励形式紧密相关，且在部分等离子体激励形式中转化率和能量效率无法兼得，应当结合场景和需求适配等离子体-催化匹配策略。同时，等离子体-催化协同机理在实验研究中多以宏观协同转化效果和催化剂离线表征为依据来推测和归纳等离子体-催化协同效应，我们认为发展等离子体-催化体系的原位过程表征对于进一步揭示等离子体-催化相互作用的微观原理十分重要；而在仿真研究方向，应当更多的考虑等离子体引发的活性物种对于表界面催化行为的调控作用，结合分子水平的原位诊断观测技术对不同相态中外场和物质相互作用的关系进行探究。