【儀表網 儀表研發】CO2/CH4分子活化較難，反應需高能量注入，導致傳統熱催化、光催化、電催化及其耦合方法面臨溫和條件下C=O、C-H化學鍵選擇性活化和定向轉化的難度增加，亟待開發新型溫室氣體快速轉化技術。等離子體是物質的第四種形態，可提供大量中性物種、正負離子、光子和高能電子來參與催化反應。當前，等離子體催化面臨的主要問題是缺乏與之匹配的催化劑設計原則，同時反應過程復雜、機制解耦困難。
 

　　中國科學院電工研究所采用Ar射頻等離子體技術在金屬結構化載體上構筑了一種富氧空位缺陷的Co-MgO-Ov多相結構催化劑，將該催化劑填充于等離子體放電區域，可實現在常壓、低溫條件下(120oC)CO2/CH4分子向乙酸、甲醇的快速轉化。通過系統的材料表征和參數化脈沖等離子體特性調控，研究發現等離子體與活性Co、Ov物種之間存在強協同催化效應，最高液態化學品選擇性接近40 %(電壓13 kV，重頻4 kHz)。同時，該工作明晰了金屬Co位點與氧空位Ov之間迥異的催化行為，其中，單一金屬Co位點可顯著提升乙酸選擇性(約18 %)，而表面空位(Ov)可大幅促進甲醇產率(約9 %)。
 

　　等離子體協同催化機制復雜是限制設計高性能等離子體專用型催化材料的瓶頸。本研究采用原位紅外表征、氣相等離子體仿真、表面密度泛函理論計算等方法，所獲結果表明射頻等離子體處理形成的富電子的Ov位點強化了CO2分子的捕獲過程，更是加速了O、OH、COOH等含氧自由基的界面吸附過程，使化學反應能壘從催化劑表面轉移至氣相，顯著增強了自由基反應機制。該成果為等離子體專用型催化劑的設計以及剖析等離子體技術主導的CO2/CH4溫室氣體轉化和利用機制提供了研究借鑒。
 

　　相關研究成果以Disentangling metallic cobalt sites and oxygen vacancy effects in synergistic plasma-catalytic CO2/CH4 conversion into oxygenates為題，發表在《應用催化B：環境》(Applied Catalysis B: Environmental)上。研究工作得到國家自然科學基金等的支持。
 

等離子體輔助富缺陷納米材料設計、合成及催化CO2/CH4轉化示意圖
 

脈沖等離子體-催化劑協同轉化CO2/CH4制備乙酸、甲醇反應路徑