放电等离子体协同催化二氧化碳加氢的机理与特性研究

作     者：李斌 

作者单位：山东师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：潘杰;邵涛

授予年度：2024年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：介质阻挡放电 等离子体 二氧化碳加氢 Co基催化剂 甲醇合成 

摘      要：随着工业革命以来化石能源的广泛使用,二氧化碳等温室气体排放量急剧上升,对全球气候产生了严重影响。开发高效的二氧化碳转化技术并制备高值液态化学品是实现温室气体高效利用的重要途经。传统的热催化二氧化碳转化需要高温高压条件,然而如何在温和条件下实现高效、高选择性的二氧化碳转化是一个亟待解决的难题。等离子体催化转化技术应运而生,结合了等离子体的高活性和催化剂的选择性转化,能够在常温常压下实现二氧化碳的有效转化并控制产物结构。等离子体催化转化技术作为一种新兴的二氧化碳转化方法,具有巨大的潜力和广阔的应用空间,目前已经成为二氧化碳转化领域的研究热点,受到大量研究者的青睐,相关研究正如火如荼地开展。 本文利用等离子体协同催化剂驱动二氧化碳加氢,在常温常压下制得甲醇,得到了不同反应器结构、催化剂种类以及电源种类的等离子体催化剂协同效果,总结了等离子体催化二氧化碳转化的优化方法,分析了气相反应和催化剂表面反应路径。本文所做工作取得以下结果: （1）本文使用水电极DBD反应器,进行等离子体催化二氧化碳加氢转化,实现二氧化碳向甲醇的高效转化与收集。本文制备了一系列的水滑石催化剂,当活性金属为Co时,获得了较好的二氧化碳转化效果,甲醇选择性达到了28.0%。在此基础上,本文使用H/Ar等离子体处理催化剂,以修饰催化剂表面,提升活性位点和氧空位密度。同时,在反应物中添加HO可以提供大量H自由基,促进了CHOH的生成。经过添加水以及等离子体处理等方法,使CHOH的选择性达到本节工作最大值39.6%（产率为2.0%）。最后,本文进行了老化测试,发现该体系可以实现长时间的稳定运行。 （2）在第一部分实验的基础上,本文尝试改变催化剂种类、电源类型、固定床反应器结构来大幅提升转化效果,实现高通量转化。但是,二氧化碳转化率和甲醇产率没有明显提升。因此,在水电极固定床DBD等离子体能源转化的基础上,本研究设计了流化床DBD反应器,并使用浸渍法制备了适合流化床反应器的Co/AlO催化剂进行了等离子体催化转化实验。流化床反应器最大化发挥了等离子体与催化剂的协同作用,实现了二氧化碳转化率以及甲醇产率的提高,分别达到了11.6%和4.6%。在流化床反应器系统中,本文进一步优化等离子体催化方式,设计了Co Cu/AlO双金属催化剂,二氧化碳转化率达到12.2%,甲醇产率达到5.0%。同时,该反应体系实现了较好的稳定性,在10小时的不间断运行中,保持了稳定的催化转化效果,实现了长时间二氧化碳加氢稳定生成甲醇。 （3）本文结合实验中产物分析、催化剂表征和零维动力学模拟研究,总结了二氧化碳加氢制备甲醇的反应路径。