学会动态---等离子体及应用专业委员会
 

脉冲放电等离子体协同Ni-Fe双金属催化剂驱动低温二氧化碳甲烷化最新进展
发表时间:2020/11/29 11:18:43  点击:2104

20201112日,中国科学电工研究所等在Chemical Engineering Journal上在线发表了题为“Coupling bimetallic Ni-Fe catalysts and nanosecond pulsed plasma for synergistic low-temperature CO2 methanation”的研究论文,报道了脉冲放电等离子体协同多级结构Ni-Fe双金属结构化催化剂低温常压下驱动CO2甲烷化过程中脉冲等离子体特性参数对表界面催化过程中CO2活化机制的研究进展。

为满足日益增长的全球能源需求,以煤、石油、天然气为主要组分的化石能源被过度使用并排放大量CO2进入大气环境,严重影响地球生态环境的自洁能力。在我国分布式能源和氢能技术的快速发展背景下,CO2加氢甲烷化技术在环境修复和分布式储能方面展现出巨大应用潜力。由于CO2自身的强化学稳定性,低温环境下CO2甲烷化反应在热力学上有利但动力学活性较低,在NiRuRd等金属催化剂作用下多在300~500 oC时开始起活。开发低温环境下的CO2甲烷化技术能有效降低反应能耗并解决催化剂烧结问题。

1. 一步煅烧-还原法制备多级形貌的Ni-Fe双金属结构催化剂

本文采用一步煅烧-还原法在泡沫镍结构化载体上首次构筑了具有多级结构形貌的Ni-Fe双金属活性位点(<10 nm)催化剂(如图1所示),通过热催化和等离子体催化活性评价证明脉冲等离子体可低温下实现Ni-Fe位点上的高效CO2甲烷化过程。通过系统的材料表征和参数化脉冲等离子体特性调控,发现不同Ni/Fe摩尔比催化剂在甲烷选择性活性中表现出高差异的结构敏感性(图2所示),揭示出其等离子体协同催化行为中迥异的结构依赖性和等离子体特性响应机制。原位发射光谱诊断表明单纯低温等离子体环境下能高效促进CO2的解离和CO振动激发过程。

2. 脉冲等离子体协同Ni-Fe双金属催化剂活性评价(Ni/Fe摩尔比调控)

3. 等离子体协同催化体系中CO(v)分布计算, (a)发射光谱计算结果; (b) 0维等离子体仿真计算结果

进一步通过特征谱线和Treanor公式估算非平衡等离子体中的CO振动激发态对于基态分子的占比(图3),发现CO(v1)~ CO(v4)总量约占35%左右。建立0维等离子体仿真动力学模型对气相反应中粒子演化过程进行推演并计算振动激发态CO在基态CO中的占比,与光谱结果较为吻合。最后根据已有分子模拟结果来探究振动激发态CO对表界面催化反应的贡献度进行评估,发现振动激发态CO可以显著降低决速步反应的活化能能垒(~0.3 eV),进而降低反应活化温度(330 K降至231 K)。本文的研究结果可为丰富等离子体协同催化体系中低温活化机制(图4)的认识提供参考。

4. 等离子体-催化协同机理全貌图

本研究工作获得了国家自然科学基金(5192570351637010)及中国科学院洁净能源创新研究院合作基金(DNL180204)等项目的资助。中科院电工所高远和窦立广为共同第一作者,邵涛研究员为通讯作者。

免费下载地址:https://authors.elsevier.com/a/1c7uo4x7R2W7Zk2021113日前有效)

论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894720338158