Ru/CeO2催化剂在等离子体辅助CO2甲烷化中的性能增强研究

本研究针对温室气体CO2转化效率低的问题，开展了等离子体辅助催化CO2甲烷化研究。通过设计不同形貌的CeO2载体和Ru负载催化剂，发现Ru/CeO2纳米针催化剂在8.9W功率下实现了70%的CO2转化率和99%的CH4选择性。该研究为等离子体-催化协同转化CO2提供了新材料设计策略，对可再生能源储存和碳循环利用具有重要意义。

　　

随着全球气候变化问题日益严峻，大气中二氧化碳（CO₂）浓度的持续升高已成为人类面临的重大挑战。如何将CO₂这一主要温室气体转化为有价值的化学品和燃料，实现碳资源的循环利用，是当前能源化工领域的研究热点。传统的热催化CO₂甲烷化反应虽然技术成熟，但需要高温高压条件，能耗较高，且催化剂易失活。近年来，等离子体辅助催化技术作为一种新兴的CO₂转化方法，因其能够在温和条件下实现CO₂的高效活化而受到广泛关注。

在这一背景下，来自西班牙IMDEA能源研究所的Beatrice Musig、Jairo Barauna等研究人员在《Journal of CO₂ Utilization》上发表了一项关于等离子体辅助CO₂甲烷化的创新研究。他们重点研究了钌（Ru）负载二氧化铈（CeO₂）催化剂在这一过程中的性能表现，并与传统的镍（Ni）基催化剂进行了对比分析。

为了系统评估不同催化剂的性能，研究人员采用了多种关键技术方法。他们通过水热法合成了具有纳米针状结构的CeO₂载体，并采用等体积浸渍法制备了金属负载量为5% mol的Ni和Ru催化剂。利用氮气物理吸附（BET）分析了材料的比表面积和孔结构，X射线衍射（XRD）确定了晶体结构和晶粒尺寸，X射线光电子能谱（XPS）表征了表面元素组成和化学状态，氢气程序升温还原（H₂-TPR）和二氧化碳程序升温脱附（CO₂-TPD）分别评估了催化剂的还原性能和表面碱性位点。此外，还通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察了材料的形貌结构和金属分布情况。

3.1. 物理化学表征结果

研究人员首先对催化剂的物理化学性质进行了系统表征。扫描电子显微镜结果显示，Ru/NN催化剂保持了CeO₂纳米针的独特形貌，平均长度约为66纳米，宽度约10纳米。X射线衍射分析表明，所有催化剂均呈现萤石型CeO₂晶体结构，其中Ru/NN样品的CeO₂晶粒尺寸最小（6.2纳米）。比表面积测试显示Ru/NN具有最大的比表面积（104 m²/g），这有利于反应物的吸附和传质。XPS分析进一步揭示，Ru/NN催化剂表面Ce³⁺比例最高（32%），表明其具有丰富的氧空位，这对于CO₂的吸附和活化至关重要。

3.2. CO₂转化率和能耗结果

在等离子体催化性能测试中，Ru/NN催化剂表现出卓越的活性。在8.9瓦的输入功率下，CO₂转化率达到70%，CH₄选择性高达99%，远优于其他催化剂。相比之下，Ni/NN催化剂在11瓦功率下仅实现45%的转化率，而Ru/NP和RuOP催化剂的性能更差。这一优异性能归因于Ru优异的氢解离能力、纳米针载体的大比表面积和丰富的氧空位，以及适宜的金属-载体相互作用。能量效率计算表明，Ru/NN催化剂的能量效率达到40%，在同类研究中处于较高水平。

3.3. 电学特性分析

通过利萨如图形和电容分析，研究人员发现Ru/NN催化剂具有较低的介电常数，这导致反应器系统的总电容降低。较低的电容使得介质屏障上的电压更高，增强了微放电活性，从而提高了CO₂的活化效率。电流-电压特性分析进一步证实，Ru/NN催化剂产生的电流峰值强度较低，表明其具有更稳定的等离子体环境，有利于反应的高效进行。

3.4. 循环过程和长期测试

为了评估催化剂的稳定性，研究人员进行了长达6小时的连续测试和循环实验。结果表明，Ru/NN催化剂在7瓦功率下能够保持稳定的CO₂转化率和CH₄选择性，没有明显的失活现象。循环实验显示，催化剂在多次启停过程中仍能保持良好的性能重现性，证明了其在间歇性操作条件下的适用性。

3.5. 等离子体甲烷化反应对Ru催化剂的影响

反应后催化剂的表征分析表明，经过等离子体暴露后，催化剂的晶体结构和形貌保持良好。XRD结果显示，Ru/NN催化剂的CeO₂晶粒尺寸仅有轻微增大（从6.2纳米增至7.3纳米），而Ru纳米颗粒仍均匀分布在载体表面，没有明显的团聚现象。这表明等离子体条件对催化剂结构的影响较小，有利于其长期稳定运行。

这项研究通过精心设计的催化剂体系和详细的机理分析，证明了Ru/CeO₂纳米针催化剂在等离子体辅助CO₂甲烷化中的卓越性能。该工作不仅为CO₂资源化利用提供了高效催化剂设计策略，还深入揭示了等离子体-催化剂协同作用机制，对推动等离子体催化技术的发展具有重要意义。特别是在当前能源转型和碳中和大背景下，这种能够在温和条件下实现CO₂高效转化的技术，为可再生能源储存和碳循环利用提供了新的技术路径。