CO2 加氢还原体系滑动弧等离子体特性与化学动力学研究

To seek the high efficiency route of CO2 conversion in plasma, plasma parameters and chemical kinetic modeling of CO2 reduction with H2 in gliding arc discharge plasma will be investigated in this project. Effect of experimental parameters on reactants conversion rates, products formation rates and energy cost will be studied based on qualitative and quantitative analysis of products with gas chromatograph and mass spectrometer. Based on electrical and optical emission spectroscopy diagnostics, plasma parameters of electron density and temperature, vibrational and rotational temperatures of molecules, and densities of atoms and radicals et al., will be estimated via Elenbaas–Heller model and Boltzmann equation. Moreover, reaction rate constants of electron collisions and chain reactions induced by reactive species will be determined by plasma parameters, and a zero-dimensional chemical kinetics model will be built to study the micro-processes of CO2 reduction with H2 in plasma. Based on the plasma parameters, and the research of micro- and macro-reaction rates of CO2 reduction with H2 in plasma, relationship between plasma chemical micro-reaction and experimental results will be studied. And thereby, the rate-determining step of CO2 reduction with H2 in plasma will be explored to clarify the method for increasing reaction rate and decreasing energy cost.

本项目拟开展CO2加氢还原体系滑动弧等离子体特性与化学动力学研究。通过加入氢气抑制CO2分解的逆反应，探究等离子体中CO2转化的高效途径。基于质谱和气相色谱对反应产物的在线定性和定量分析，考察宏观实验参数对反应物转化速率、产物生成速率和能耗的影响。在光谱诊断和电学分析实验研究基础上，联合Elenbaas–Heller模型和波尔兹曼方程的数值模拟，研究滑动弧等离子体的电子密度和电子温度、分子的振动和转动温度、原子和自由基的数密度等特性参数。基于其等离子体特性研究，分析等离子体中电子碰撞过程和活性物种引发链式反应的速率，建立等离子体化学过程的0维动力学模型，分析等离子体化学反应的微观反应过程。结合该体系的等离子体特性、微观反应过程和宏观实验的反应结果，探寻CO2加氢还原反应过程中速率控制步骤和对该步骤起决定性作用的关键影响因素，阐明提高反应速率和降低能耗的本质，并以此指导和优化宏观实验的改进。

本项目开展了滑动弧等离子体中CO2加氢还原的实验与分子动力学模拟研究。实验中，为实现稳定重复的光电诊断，创制了新型的模型滑动弧反应器。该反应器可在恒压和恒流下，保持定弧长匀速滑动，克服传统滑动弧反应器中电弧运动复杂难以诊断的问题，实现滑动弧放电过程弧形为、等离子体参数以及其中反应过程的诊断分析。采用模型反应器，揭示了滑动弧放电中弧的辉光特性，发现电弧形状呈现三种模式，并通过电弧形状建立了电弧通道的受力分析模型，分析了电弧形状模式产生的本质原因，为滑动弧反应器的设计和优化提供更深层次的依据。开展CO2加氢还原实验研究，系统考察了该反应气氛中，滑动弧等离子体的参数和该等离子体中CO2的转化率及产物的分布。实验验证了滑动弧等离子体可高效活化CO2分子。H2的加入，显著抑制CO2分解逆反应，提供还原性的氢物种，直接还原CO2，获得高的CO2转化率和能量效率。进一步搭建滑动弧中CO2转化的分子动力学模型，基于实验中气体宏观定量分析和等离子体诊断微观参数验证动力学模型的可信性，并进一步利用动力学模型揭示滑动弧等离子体中CO2转化的核心物种和关键控速步骤。结合实验结果，分析滑动弧等离子体中CO2转化的调控机制，阐明决定CO2高效转化的关键等离子体参数。该成果可加深滑动弧中CO2转化过程的反应机理认识，为滑动弧中CO2转化的反应过程优化提供实验和理论依据。