非热等离子体催化转化C1分子及其催化剂研究进展

非热等离子体催化具有反应条件温和、启动快和反应器结构紧凑等特点,在C₁分子催化转化领域（如CO₂加氢、甲烷活化、水煤气变换反应和甲醇重整制氢）有着广阔的应用前景。具体来说,等离子体特有的高能电子可在气相中快速活化稳定性极强的C₁分子并生成活性物质,接着与催化剂结合发生表面化学反应,从而实现常温常压下C₁分子的高效转化。然而,等离子体与催化剂之间的协同作用机制以及催化机理极为复杂,仍有待进一步研究。本综述简单介绍了非热等离子体催化转化C₁分子的近期研究进展,重点探讨了适用于非热等离子 体的催化剂研究以及催化机理的高级原位表征。最后,提出了非热等离子体催化转化C₁分子的未来发展方向：①设计并构筑适用于非热等离子体催化的高效催化剂,并研究其构效关系;②发展高级原位表征技术,揭示活性物质的作用机理以及催化机理;③设计并构建高效的等离子体催化反应器,并建立反应器的理论模型和数值模拟方法,科学指导等离子体反应器的设计、优化和放大。     

CH4-CO2低温等离子体重整制合成气的研究

为了探究CH₄-CO₂低温等离子体重整制合成气的反应特性,考察了添加气体、放电电压、放电频率、CH₄与CO₂物质的量比和原料气流量对重整反应的影响,在优化单纯等离子体作用下CH₄-CO₂重整反应条件的基础上,开展了等离子体与NiO-CeO/TiO₂-MgO催化剂协同转化CH₄-CO₂的实验。结果表明,实验体系中添加Ar或N₂,放电引发的亚稳态Ar^*或N₂激发态粒子,可促进反应物转化和目标产物生成,且Ar对CH₄-CO₂重整反应的促进作用优于N₂;在单纯等离子体作用、Ar体积分数25%,放电电压17.0 kV,放电频率9.0 kHz, CH₄与CO₂物质的量比1∶2,气体总流量60 mL/min条件下,CH_4<...     

ZSM-5催化剂与低温等离子体协同转化H2S-CO2制合成气

将H₂S和CO₂混合酸气一步转化制合成气,既实现了二者无害化处理,又生产出合成气,是一条理想的废气资源化利用新路线。由于分子结构稳定,在常规条件下因受热力学平衡限制,二者转化率极低。而在低温等离子体中,H₂S和CO₂可被激发为高活性物种来参与反应。研究了具有不同Si/Al摩尔比的ZSM-5催化剂与低温等离子体结合实现H₂S-CO₂一步高选择性制合成气,显著提高了H₂S-CO₂转化性能。考察了ZSM-5催化剂中Si/Al比和低温等离子体放电条件等对反应的影响。其中,当Si/Al比为80时表现出最优催化性能,最高H₂和CO产率分别达到56.1%和10.0%。对常规条件和低温等离子体氛围下的不同ZSM-5催化剂上CO₂、H₂S、CO、H₂等化学吸脱附行为进行了对比研究,发现低温等离子体促进了催化剂对CO₂、H₂及CO分子的吸附活化,进而明显提升了H₂S和CO₂转化。     

双介质阻挡放电低温等离子体对模拟堆肥气体中氨气的去除

针对固体废物堆肥设施氨气污染问题,本文首次运用双介质阻挡放电低温等离子体（DDBD）技术去除模拟堆肥气体中的氨气。考察了输入功率、氨气流速、氨气初始浓度、反应器放电间隙、氧气含量等参数对氨气去除率和低温等离子体系统能量效率的影响,并分析了副产物的生成情况及其影响因子。研究结果表明,氨气去除率与输入功率和氧气含量呈正相关,与氨气流速和氨气初始浓度呈负相关。低温等离子体系统的能量效率与氨气流速、氨气初始浓度、氧气含量均正相关,但随输入功率的增加先升高后降低。研究发现,在所设定的反应条件下,4mm放电间隙反应器的能耗最低,能量效率最高。O₃和NO_x是DDBD去除氨气的反应副产物,其浓度均与氧气含量呈正相关,均呈现随输入功率的增加先升高后降低的趋势。     

非平衡等离子体合成氨研究综述

非平衡等离子体技术是一种能有效降低反应压力和温度的新型合成氨方法。综述了非平衡等离子体合成氨技术的研究历程,包括在低压下采用微波、射频或交、直流高压激发辉光放电和常压下采用介质阻挡放电产生非平衡等离子体进行合成氨研究。此外,针对目前国内外研究现状,对常压介质阻挡放电等离子体合成氨发展方向进行了展望。     

催化型低温等离子体反应器净化废气研究进展

催化型低温等离子体反应器可有效地提高废气治理的能量效率和净化效果.现有数据表明,在一定能量密度下,催化型低温等离子体反应器比传统低温等离子体反应器能量效率有1.1～12倍的提高,这和污染物种类,反应器构型及催化剂参数有关.本文介绍了反应机理、反应器构型及催化剂参数选择等对反应器性能的影响,并指出今后研究的发展方向.     

脉冲放电等离子体协同Mn/TiO2-分子筛、Fe/TiO2-分子筛、Cu/TiO2-分子筛催化剂降解甲醛

为进一步提高脉冲放电等离子降解甲醛的效率,增加CO₂选择性,降低O₃产生量,研究采用放电等离子体和催化剂协同技术。实验以分子筛为载体,分别制备了Mn/TiO₂-分子筛、Fe/TiO₂-分子筛和Cu/TiO₂-分子筛3种催化剂,并利用XRD、SEM、EDS、FT-IR方法对催化剂进行表征分析。进行了脉冲放电等离子体协同3种催化剂降解甲醛的研究,比较了不同催化剂协同等离子体对甲醛去除率、CO₂选择性、O₃产生量的影响。结果表明,3种催化剂与脉冲放电等离子体都存在协同作用,并能有效地提高甲醛去除率,增加CO₂选择性,降低O₃产生量。当脉冲电压为20kV、放电频率为40Hz、气体流量为0.5L/min时,Mn/TiO₂-分子筛催化剂协同效果最佳,甲醛去除率为94.4%,CO₂选择性为42.2%。催化剂表征结果显示Mn/TiO₂-分子筛的活性组分颗粒分布均匀,锐钛矿相的TiO₂和微晶状态的MnO_x的存在有效促进了甲醛的氧化分解。研究还对放电等离子体协同Mn/TiO₂-分子筛催化剂降解甲醛的机理进行了探讨。     

介质阻挡放电微等离子体分解二氧化碳研究

二氧化碳既是主要的温室气体之一,也是包含碳和氧的资源,把相对惰性的CO₂转化为易于利用的CO是其利用的方法之一。采用介质阻挡微等离子体反应器通过单变量和正交实验探究了反应器参数(放电区长度、放电间距、介质厚度)和工艺参数(输入功率、放电频率和停留时间)对CO₂分解为CO的转化率和能量效率的影响规律。研究结果表明,影响CO₂转化率的大小顺序依次为：放电间距>放电长度>输入功率≈停留时间>介质厚度>放电频率;输入功率60.0 W、放电频率9.0 kHz和停留时间1.5 s、放电区长度60 mm、放电间距0.5 m、介质厚度1.6 mm时,CO₂的转化率为10.6%,能量效率为4.1%。     

小型反应器内气相甲醇制二甲醚操作优化与分析

通过对小型反应器内气相甲醇催化制二甲醚反应进行高温热态实验,探究了反应温度与甲醇质量空速对催化剂床层轴向温度分布的变化规律,同时分析了不同的操作条件对甲醇转化率和二甲醚选择性的影响,从而优化小型反应器的操作参数。研究结果表明：当甲醇质量空速为1 h^-1时,在不同反应温度条件下,催化剂床层会出现约1.7～2.9℃的轴向绝热温升,且催化剂床层热点温度接近于催化剂床层轴向中部位置;当反应温度为250℃,甲醇质量空速为1 h^-1时,催化剂床层轴向温度分布曲线较为平缓,且甲醇转化率和二甲醚收率均较高,即反应温度为250℃及甲醇质量空速为1 h^-1可视为该小型反应较优的操作条件。     

高压脉冲放电等离子体技术处理有机废水进展

介绍了近年来高压脉冲放电等离子体水处理技术在反应器设计、催化剂的选择评价、实验条件方面的发展,总结了国内外关于高压脉冲放电水处理的研究,提出了现存的一些问题。     

合成氨工业节能减排的分析

催化合成氨技术虽然已经比较成熟,但仍然潜在巨大的节能潜力。当今全球关注的能源问题又摆在合成氨工业的面前,CO₂排放也将受到严格限制。合成氨工业的节能减排应当引起人们的高度重视。本文分析了目前合成氨工业的能耗情况及其节能减排潜力,指出节能的方向在于减少提供动力的燃料消耗,即降低合成压力及其动力消耗;节能的重点,就装置类型来说,在于中小型合成氨装置;就工序过程来说,其重点在于转化工段,就单元过程来说,其重点在于不可逆性最大的过程,如燃烧反应,高的温差、浓差、压差的传递过程。但是进一步节能的关键在于调整原料结构和采用高效催化剂及其配套工艺技术。提出了大型合成氨装置采用国产新型高效催化剂,中小型合成氨装置进行降压节能工艺技术改造以及建立以洁净煤气化技术为核心的合成氨-能源多联产系统等相关建议。     

介质阻挡放电等离子体特性及其在化工中的应用

阐述了介质阻挡放电（DBD）等离子体的基本特性、放电机理、理论模型、反应器类型及存在问题。评述了介质阻挡放电在物质合成、挥发性有机物处理、汽车尾气净化、材料表面处理、催化剂改性、沉积制膜以及等离子体催化协同作用在环境化工中的应用等方面的研究进展，分析了传统方法在这些方面应用的优缺点，指出通过与催化剂协同可以更好地发挥等离子体的优势。DBD等离子体技术在节约能源、降低成本、安全操作和环境保护等方面都有很大改进，是一种很有前途的新技术，并展望了DBD等离子体技术的发展前景和研究方向。     

电催化氮气还原合成氨反应中抑制水解析氢竞争的研究进展

传统工业合成氨Haber-Bosch工艺条件要求严苛,并且存在高能耗以及高CO₂排放问题。电催化氮气还原（nitrogen reduction reaction, NRR）是一种在常温常压下利用氮气合成氨的新工艺,具有成本低、反应条件温和、环境友好等优势。但该反应所需过电位较高,水解析氢反应（hydrogen evolution reaction, HER）竞争明显,导致电流密度和选择性较低,无法达到工业应用水平。本文在介绍电催化NRR合成氨的反应机理的基础上,主要从氮气分子的吸附活化和电还原阶段反应过程出发,综述了电催化氮气还原合成氨反应中HER与NRR的竞争机制。重点梳理了通过设计催化剂和反应体系抑制HER的国内外最新研究成果,最后对电催化NRR合成氨面临的挑战和机遇进行了展望。     

MoS2基单原子催化剂的合成及其在电催化中的应用

电催化由于反应条件温和、反应速率较快等优势,在能源存储与转化、高值小分子合成等领域具有极大应用前景。因此,设计开发高效的电催化剂是推动电催化反应工业化的核心问题。二硫化钼(MoS₂)以其低成本、可调的电子性质和优异的化学稳定性,被认为是用于电催化的最有前景的候选材料之一。同时,单原子催化是一种功能强大、极具吸引力的技术,成本显著降低,且具有优异的催化活性。本文首先综述了MoS₂基单原子催化剂的制备策略,包括电化学沉积、湿化学浸渍、水热/溶剂热和氢气等离子体还原。其次,在此基础上重点介绍了相应催化剂在电催化领域的应用。最后,从单原子改性、机理研究、合成工艺三个方面讨论了新的研究方向和未来趋势,即制备多金属MoS₂基单原子催化剂,深度表征和计算澄清反应机理,开发绿色环保的合成工艺等。     

影响Ru/MO_x氨合成催化剂活性关键因素

氨合成催化剂是多相催化领域中许多基础研究的起点,低温高活性的钌系催化剂为继熔铁催化剂之后的第二代氨合成催化剂。从影响氧化物负载的Ru基催化剂性能的关键因素出发,对氧化物载体的改性、助剂的作用并将其深入到反应条件下的化学状态等方面进行了分析和探讨,为新型高活性Ru基氨合成催化剂及其他多相催化剂的设计研发提供借鉴。     

氨合成钌基催化剂的研究进展

近年来,钌基氨合成催化剂因其高活性、高稳定性和反应条件温和成为研究热点。综述国内外氨合成钌基催化剂的研究进展,重点介绍钌基催化剂载体、助剂和前驱体对氨合成反应性能的影响。石墨化程度高、导电性能良好的碳载体或氧化物与碳的复合载体是氨合成反应的良好载体;碱金属和碱土金属类助剂通过改变活性金属表面静电场,起到电子助剂的作用,并且碱土金属对反应的促进作用优于碱金属,稀土金属Sm能够抑制碳载体的甲烷化反应;与Ru Cl3相比,Ru3(CO)12是氨合成反应的理想前驱体。简介以电子化合物为载体的钌基氨合成体系,负载钌的高比表面积电子化合物C12A7:e-是强大的电子供体,能够提高氮气在钌上的解离程度,并能可逆地储存氢,有效抑制氢吸附对钌表面的毒害,从而大大提高氨合成反应活性。进一步开发温和条件下非贵金属高效氨合成催化剂将具有重要的理论和现实意义。     

超临界氨合成

Ammonia synthesis at supercritical conditions was first studied over iron and active carbonsupported ruthenium catalysts in a fixed-bed reactor. The influences of 15 kinds of different supercritical media, such as alkanes of C7-C13, 1, 2, 3, 4-tetrahydronaphthalene, cis-decalin, o-xylene,ethylbenzene, quinolin, n-hexane and aniline etc. and reaction conditions (catalyst, temperature, space velocity, particial pressure of media) on ammonia at supercritical condition were investigated.Supercritical medium was decomposed under reaction conditions over Fe and Ru/AC catalysts. The decomposition products deactivated the catalysts. Alkane decomposed the least, and the rate of deactivation was the slowest. Therefore alklane was a relatively good medium. The decomposion of supercritical medium was the key for the deactivation of catalysts. Another important reason for the decrease of ammonia concentration was that the effective pressure of syngas decreased because of the presence of supercritical media. The active temperature of catalyst was the decisive factor in supercritical ammonia synthesis. Supercritical catalytic reaction was viable only at a lower temperature. Ammonia ynthesis at supercritical conditions is possible if a catalyst with active temperature lower than 573 K could e developed and the decomposition of supercritical media could be prevented.     

Dielectric barrier micro-plasma reactor with segmented outer electrode for decomposition of pure CO2

Four coaxial cylinder dielectric barrier discharge micro-plasma reactors were designed for the non-catalytic decomposition of pure CO₂ into CO and O₂ at low temperature and ambient pressure. The influence of segmented outer electrodes on the electrical characteristics and the reaction performance was investigated. Experimental results indicated that the introduction of segmented outer electrodes can significantly promote the decomposition of CO₂. Encouragingly, the highest conversion of 13.1% was obtained at an applied voltage of 18 kV, which was a substantial increase of 39.4% compared to the traditional device. Compared with other types of dielectric barrier discharge plasma reactors, the proposed segmented outer electrode micro-plasma reactor can give a higher CO₂ conversion and acceptable energy efficiency. The increase in conversion can be attributed mainly to the enhanced corona discharge caused by the fringe effect at electrode edges, the increase in energy density and the increase in the number of micro-discharges. In addition, detailed electrical characterization was performed to reveal some trends in the electrical behavior of proposed reactors.     

射频等离子体氨合成反应器的研究

根据等离子体化学反应的特点,应用射频辉光放电,研究了T型、Y型和夹套型反应器对低压条件下N2＋H2转化反应的影响。结果显示,TⅡ型反应器是射频等离子体氨合成反应相对有利的反应器。     

低温等离子体催化技术推广方面的难点问题

低温等离子体催化技术是近年来兴起的一种治理废气的可行方法,与传统方法和工艺相比,具有投资和运行费用较低、处理效率较高、处理时间较短和易于控制等优点。研究表明,利用等离子体技术处理大气污染的应用前景广阔。但低温等离子体技术反应器的选择、匹配和优化、相关催化剂的选择以及与反应器的结合、反应机理等方面还需要进一步深入研究。低温等离子体效率低、能耗高、目标产物选择性低,但加入催化剂可降低能耗,减少二次污染,提高产物选择性,两者取长补短,优势互补。不断改进反应器并提高反应器的能量效率,提升催化剂的稳定性和契合度以及对反应机理的深入研究是今后的发展方向。