低温等离子体协同催化CO2重整CH4合成液态产物的反应机制及性能调控研究

Direct synthesis of liquid chemicals from CO2 reforming of CH4 by the combination of non-thermal plasma and catalysts is an efficient and environmentally friendly route for CO2 conversion and utilization，which reduces the greenhouse gas emissions while producing value-added fuels and chemicals. It is of great importance to understand the reaction mechanism for effectively manipulating the selectivity of the target products and energy efficiency of the process. This project will emphasize on the direct synthesis of liquid chemicals from CO2 reforming of CH4 by the plasma-driven catalysis process using dielectric barrier discharge. Based on the in situ diagnostics on plasma-catalytic reaction process, diagnostics on discharge characteristics and characterization of catalyst properties, the effect of different parameters on the plasma-catalytic reaction will be investigated in terms of discharge characteristics, product distribution, variation of the catalyst properties and the reaction scheme on the catalyst surface. The plasma parameters, active particles and surface reaction intermediates for synthesizing liquid chemicals will be determined and the interaction mechanism between the plasma and catalysts during the reaction process will be revealed. According to the experimental and simulation results, the key reaction pathways for the synthesis of target liquid will be deduced and the collaborative relationship between the micro parameters, macro conditions and the performance of synthesizing liquid chemicals will be established. Then the reaction mechanism of synthesizing liquid products will be clarified and the effective manipulation approaches will be proposed to enhance the synthesis of liquid chemicals. This research is of primary interest to gain a fundamental understanding on the synergy effect of plasma-catalysis and promote the application of non-thermal plasma in environmental protection as well as energy conservation and emission reduction.

低温等离子体协同催化CO2重整CH4直接合成液态产物是一种新型高效环境友好的CO2转化利用路线，在生成高品质能源的同时有效减少温室气体的排放，明确其反应机制，实现有效调控反应过程提高目标产物选择性和能量效率至关重要。本项目采用介质阻挡放电协同催化CO2重整CH4来合成液态产物，基于等离子体催化反应原位诊断，结合放电特性诊断和催化剂特性表征，研究多参数条件对放电特性、产物分布、催化剂特性变化及催化剂表面反应历程的影响，获得合成液态产物的等离子体参数、活性粒子和表面反应中间体等信息，探讨等离子体和催化剂相互作用机制；根据实验和仿真结果，确定合成液态产物的反应路径和关键反应步骤，从而构建微观反应参数、宏观条件参数与合成液态产物性能的协同关联关系，阐明合成液态产物反应机制，提出有效调控方法提升反应性能。项目对理解等离子体协同催化反应机制，促进低温等离子体在环境保护和节能减排领域应用有重要作用。

为了提高低温等离子体在CO2转化利用中的效果和效率，本项目针对常用的同轴介质阻挡放电（Dielectric barrier discharge，DBD）在CO2转化过程的放电特性和反应性能进行了研究，采用实验为主并结合理论分析的方法，考察了激励电源种类和参数、反应器结构和环境、气体种类和浓度、催化剂制备方法及载体和活性金属等影响，并阐明反应机制，提出相应的性能调控方法。研究结果表明，在采用高频交流、微秒脉冲和纳秒脉冲激励同轴DBD CO2重整CH4反应时，高频交流电源激励产生最高的放电功率，增加了高能电子密度并产生更多的等离子体反应通道，从而提高反应物的转化率和主要产物的产率和选择性，但其能量利用率低，因而能量效率最低，而纳秒脉冲激励同轴DBD中能产生最均匀的放电，所产生的活性粒子浓度最高，同时由于其输入能量主要用于加速电子，有利于等离子体化学反应的进行，因而能量利用率最高，反应物转化和产物生成的能量效率均为最大。对高频交流DBD采用外电极冷却可以增强放电稳定性，减少能量损失，从而提高能量利用率。对于DBD协同催化CO2重整CH4，催化剂制备方法、催化剂载体、活性金属等都会对放电特性和反应性能有显著影响：采用乙醇作为溶剂并研磨干燥后制备的Ni/Al2O3催化剂，使DBD协同催化CO2重整CH4反应物转化能量效率提高了22.2％；采用不同载体的Ni基催化剂对反应物转化率等性能指标表现出不同的影响趋势；对比Ni/Al2O3、Ag/Al2O3、Pt/Al2O3催化剂，Ag/Al2O3的催化效果最好，CO2和CH4的转化率的最高分别为21.4％和27.6％，而采用Pt/Al2O3催化剂则更有利于获得更多的氢气和碳氢化合物，通过催化剂表征发现反应性能和效果与催化剂特性变化直接相关，可以根据不同的实际需求选择催化剂条件及对应的条件参数。本项目加深了对不同参数条件下同轴DBD的放电特性和及其用于CO2转化过程特性与性能的理解和认识，可根据上述研究结果对同轴DBD用于CO2转化利用过程性能调控，为提高同轴DBD CO2转化过程的效率和效果提供有益参考。