非热等离子体催化CO2加氢制甲烷的高效转化：Ni/Al2O3催化剂优化与反应机理研究

本研究针对CO2减排与资源化利用需求，采用介质阻挡放电(DBD)非热等离子体(NTP)协同Ni/Al2O3催化剂，系统探究了功率、温度、空速和H2/CO2比对CO2甲烷化效率的影响。结果表明，在70 W功率、280°C、H2/CO2=4条件下实现82.2%转化率与90.2%CH4选择性，为低温条件下碳循环技术提供新思路。

　　

论文解读

研究背景

全球气候变暖背景下，2020年化石燃料产生的CO₂排放量已达348亿吨，预计205年将突破430亿吨。碳捕集与封存(CCS)技术虽能减少排放，但存在成本高、泄漏风险等问题。相比之下，碳捕集与利用(CCU)技术通过将CO₂转化为高附加值化学品更具可持续性，其中CO₂甲烷化反应（Sabatier反应）因产物可直接利用现有天然气基础设施而备受关注。然而传统热催化需高温高压（300°C/25 bar），面临动力学限制和催化剂失活等挑战。

非热等离子体(NTP)技术通过产生高能电子（等效温度>10000°C）可在低温下活化稳定分子，但其产物选择性差。将NTP与催化结合，既能突破热力学限制，又能通过催化剂调控反应路径。英国利兹大学的研究团队在《Fuel Processing Technology》发表研究，系统探索了DBD等离子体协同金属催化剂在CO₂甲烷化中的应用。

关键技术方法

研究采用介质阻挡放电(DBD)反应器，通过湿法浸渍制备10 wt%金属（Ni/Ru/Co/La）负载的Al₂O₃催化剂，结合XRD、SEM-EDX和BET表征材料特性。实验考察了等离子体功率(0-70 W)、温度(25-280°C)、空速(768-1920 ml/g_cat·h)和H₂/CO₂比(2-7)的影响，通过GC-TCD/FID分析产物组成，计算转化率、选择性和能量效率等指标。

研究结果

1. 等离子体功率优化
输入功率从0 W增至70 W时，CO₂转化率从22.5%提升至66.8%，CH₄产率从22%升至53%。但功率过高会促进逆水煤气变换反应(RWGS)，导致CO选择性从1%增至11.7%。30 W时能量效率最佳（CO₂ 33.1 g/kWh），70 W选定为后续实验条件。

2. 温度依赖性
25-90°C时主要生成CO（选择性>99%），180°C后CH₄选择性显著提升。280°C时CO₂转化率达66.8%，CH₄选择性79.4%，接近该温度下热力学平衡值（96%转化率/100%选择性）。

3. 催化剂性能比较
Ru/Al₂O₃表现最优（90.7% H₂转化率、90.7% CO₂转化率），Ni/Al₂O₃次之（75.4%/82.2%），而La/Al₂O₃几乎无甲烷生成。XRD显示Ru催化剂结晶度最高（晶粒尺寸30.3 nm），Ni催化剂存在NiAl₂O₄尖晶石相，增强金属-载体相互作用。

4. 反应机理推测
通过对比实验与文献，提出等离子体先活化CO₂生成CO吸附物种，催化剂表面H物种逐步氢化形成CH_x中间体，最终脱附为CH₄。Ru催化剂因更易形成氧空位，促进CO₂吸附解离。

研究意义

该研究实现了低温(280°C)、常压下82.2% CO₂转化率和90.2% CH₄选择性，能量效率达22.5 g_CO2/kWh。通过阐明等离子体-催化剂协同机制，为开发高效CCU技术提供新策略。未来可优化催化剂载体介电性能，进一步提升能量效率，推动可再生能源制氢耦合CO₂转化技术的工业化应用。