滑动弧放电等离子体活化石墨相氮化碳催化过程及协同重整CH4-CO2制合成气研究

The gliding arc discharge plasma possesses characteristics of large electron density, good reaction selectivity, strong energy-translation ability and high input energy, which can convert CH4 and CO2 into syngas under conditions of atmosphere and low temperature. Introducing catalyst into the reaction system is one of efficient pathways to increasing the plasma-energy-utilization efficiency. Graphic carbon nitride (g-C3N4) is a kind of typical polymer semiconductor, containing no metal component, being cheap and stable, and owing high reduction ability. In this project, g-C3N4 will be activated by gliding arc discharge plasma and synergic reforming of CH4 and CO2 generation of syngas will be investigated, aiming at proving a new technology for transformation of CH4 and CO2. Concrete as follows: studying the physical property of gliding arc discharge plasma and exploring the reaction condition of g-C3N4 activation by plasma; on this basis, to carry out the CH4-CO2 reforming experiments, master the collaborative effect of g-C3N4 catalysis, and probe further into the mechanism of CH4-CO2 reforming in the experimental system; developing small-scale simulation experiment to provide scientific foundation for accelerating the development and application of this technology in practical CH4-CO2 reforming. This project tries to combine gliding arc discharge plasma with g-C3N4, making full use of their advantages, which is expected to be of great significance and application value for realizing efficient utilization of biogases, such as CH4, CO2, etc.

滑动弧放电等离子体具有电子密度大、反应选择性好、能量转化能力强和输入能量高的特点，能够在大气压低温条件下将CH4和CO2转化为合成气。反应体系中引入催化剂是提高等离子体能量利用效率的一个有效途径。石墨相氮化碳（g-C3N4）是一种典型的聚合物半导体，不含金属组分，价廉稳定，还原能力强。本项目拟采用滑动弧放电等离子体活化g-C3N4催化反应协同重整CH4-CO2制合成气，为CH4和CO2转化提供新的工艺技术。具体为：研究滑动弧放电等离子体物理特性，探索等离子体活化g-C3N4反应条件；在此基础上，进行CH4-CO2重整反应实验，掌握g-C3N4催化的协同作用，深入探讨反应体系重整CH4-CO2制合成气机理；开展小型模拟实验，为实际工艺的推广和应用提供科学依据。本项目将滑动弧放电等离子体和g-C3N4进行结合，充分发挥二者的优势，对实现CH4、CO2等生物气的有效利用具有重要意义和参考价值。

瞄准国家重大发展需求，积极推进可再生能源发展。放电等离子体含有大量高活性粒子，在常温常压条件下诱导化学反应发生，具有反应选择性好、能量转化能力强和输入能量高的特点。CH4和CO2小分子化学性质十分稳定，传统热处理技术转化CH4-CO2反应温度高，条件苛刻。放电等离子体氧化还原技术能够在温和条件下实现CH4-CO2重整反应，是一种具有很好应用前景的小分子生物气体转化技术。石墨相氮化碳（g-C3N4）是一种新型的非金属催化剂，价廉稳定，还原能力强。本项目采用放电等离子体活化g-C3N4催化协同重整CH4-CO2制合成气，为CH4-CO2转化提供新的工艺技术。主要研究内容为，高反应活性的滑动弧放电和常规介质阻挡放电特性，两种放电方式重整CH4-CO2制合成气影响因素，等离子体协同g-C3N4催化提高CH4-CO2转化效果与能量利用，以及等离子体协同催化CH4-CO2重整机理研究。设计并搭建了CH4-CO2重整反应系统，明确了滑动弧的运动状态和能量分布，发现处于非平衡状态的电弧瞬时功率约为平衡状态下的4倍。获得了电极参数、电气参数和气体参数影响滑动弧放电和DBD放电重整CH4-CO2规律，在优化参数条件下，滑动弧放电等离子体对CH4和CO2的转化率高达80%和73%。g-C3N4基催化剂被滑动弧放电等离子体和DBD等离子体成功激活，对CH4-CO2转化表现出良好的协同效应，催化还原CO2效果明显，CO2转化率提高50%左右，放电能量效率是单独等离子体作用的2.5倍。TiO2/g-C3N4复合催化剂以及g-C3N4/Al2O3负载催化剂转化CH4-CO2催化活性较单一g-C3N4高，其中TiO2量为1 wt%的复合催化剂催化转化效果最好，g-C3N4负载量是影响负载催化剂催化效果的重要因素。采用发射光谱技术，对等离子体活性物质进行诊断，得到滑动弧放电等离子体中OH的转动温度约为3000 K，电子密度约为1.085*1022 cm-1。g-C3N4基催化剂转化CH4-CO2机理为，小分子吸附在催化剂表面活性位点上，被催化剂激活后产生的活性物质有效转化。本项目将放电等离子体和g-C3N4基催化剂进行结合，充分发挥等离子体和催化剂的优势，对实现CH4、CO2等生物气的有效利用具有重要意义和参考价值。