等离子体活化耦合多相催化二氧化碳合成二甲醚的研究

随着工业发展和人类活动的加大，CO2的过量排放对人类的生存环境造成了巨大的影响。本项目旨在利用等离子体具有高化学活性、局部高温高压、可形成冲击波和微射流等特性对CO2活化和进行CO2加氢合成二甲醚反应，研究CO2在等离子体条件下的活化规律和CO2加氢过程中多相催化剂与等离子体的耦合效应。采用发射光谱和气相色谱在线对反应中间活性产物和稳定产物进行监测，研究等离子体中活性物种及催化剂对CO2活化的贡献。通过关联加氢反应活性、加氢过程中的能量效率和多相催化剂的微观结构表征数据，揭示等离子体对CO2活化规律、多相催化剂与等离子体耦合效应，得到等离子体催化CO2加氢反应的内在联系与规律性认识。研究结果既可为设计和优化CO2加氢转化工艺提供系统的理论基础和科学依据，也可进一步丰富等离子体耦合催化理论。

二甲醚既是一种基本的化工原料，又是一种新型动力燃料，将CO2还原成具有高附加值的二甲醚产品，既能有效利用CO2资源，又能解决石化资源短缺、环境污染等问题，是当今能源、环境、物理、化学、材料等多学科领域的关注热点。但CO2的化学惰性限制了CO2转化技术的发展，开发高效的CO2活化催化剂以及对CO2合成二甲醚的反应过程进行强化成为了改善CO2转化技术的关键。本项目从三个方面对CO2合成二甲醚过程进行研究：（1）开发并表征了新型的CO2活化催化剂Cu-Zn-Zr/HZSM-5和Cu-Fe-Zr/HZSM-5，结果表明Zr促进了CuO和ZnO之间的相互作用，促进CuO和ZnO的晶粒分散；Zr加强了Cu与Fe之间的相互作用，改变了CuO结合能，提高了CuO-Fe2O3催化剂的比表面积和还原性能；（2）对催化CO2合成二甲醚的工艺过程进行试验研究和理论分析，研究表明最优的工艺条件为：还原温度为300 °C、氢碳比为5、反应温度为260 °C、反应压力为3.0 MPa、流速为1500 mL•gcat-1•h-1时，CO2的转化率为28.4%，二甲醚的选择性为64.5%，催化剂的反应活性在16 h内保持稳定；基于最优的工艺条件，建立了CO2合成二甲醚的本征动力学模型，为提高CO2转化率和二甲醚选择性提供试验数据和理论基础，本征动力学研究表明甲醇合成、甲醇脱水、逆水煤气反应为CO2催化加氢合成二甲醚的基本反应，其中生成H2CO2、生成HXCH3OHCH3+分别为甲醇合成以及甲醇脱水反应的速率控制步骤，通过提高这两个中间产物的反应速率能增加CO2催化加氢合成二甲醚总反应速率；（3）设计等离子体活化耦合催化CO2转化的反应装置，引入高压放电等离子体电场对CO2合成二甲醚反应进行强化，初步揭示高压等离子体与催化耦合作用对反应过程强化的机理和规律，为进一步推广CO2转化技术提供基础。