等离子体协同催化低温高效裂解甲醇制氢的机理研究与性能优化

针对传统甲醇制氢技术能耗高、启动慢的问题，西安交通大学团队创新性地采用纳米脉冲介质阻挡放电(DBD)等离子体协同Cu/ZnO催化剂，在453-593K低温条件下实现甲醇高效转化。研究发现等离子体使反应起始温度降低150K，催化剂使H2 选择性提升15%，首次揭示了CH3 O表面吸附促进链式反应(CH3 O→CH2 O→CO+H2 )的协同机制，为车载氢能系统开发提供新思路。

　　

在全球能源转型背景下，氢能因其零碳特性成为焦点，但传统制氢技术面临化石燃料依赖和储运安全等瓶颈。甲醇作为液态氢载体具有储运优势，但现有热催化分解需高温（>600K）且产生毒化燃料电池的CO，而蒸汽重整又增加碳排放。如何实现甲醇低温高效制氢成为关键科学问题。

西安交通大学的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，创新性地将纳米脉冲介质阻挡放电(DBD)等离子体与Cu/ZnO催化剂耦合，在453-593K低温条件下实现甲醇高效转化。通过实验与动力学模拟结合，首次阐明等离子体激发态粒子(Ar^*
)与高能电子协同降低反应能垒的机制，发现催化剂表面CH₃
O优先吸附促进链式反应的关键路径。该工作为车载分布式制氢系统开发提供了理论支撑。

研究采用三项核心技术：1）自主搭建纳米脉冲DBD反应器，实时监测不同电压(0-8000V)下的产物分布；2）开发耦合等离子体-燃烧化学的CPCC模拟程序，整合ZDPlaskin等离子体模块与CHEMKIN动力学求解器；3）通过原位质谱分析CH₃
OH、CH₃
O等关键中间体浓度变化。

主要结果

1. 放电电压影响：8000V等离子体使甲醇起始反应温度从600K降至450K，Ar^*
   与电子碰撞产生CH₃
   OH⁺
   是引发反应的关键步骤。

2. 协同效应机制：催化剂表面优先吸附CH₃
   O（而非CH₃
   ），促进其经CH₂
   O中间体转化为CO+H₂
   ，抑制副产物CH₃
   生成。等离子体-催化剂组合使493K时H₂
   选择性提升15%，转化率提高12%。

3. 动力学路径：模拟揭示等离子体区主要发生CH₃
   OH→CH₂
   OH+H→CH₂
   O+H₂
   路径，而催化区主导CH₃
   O→CH₂
   O→CO+H₂
   链式反应，两者互补提升整体效率。

该研究不仅建立了首个包含等离子体激发态反应的甲醇分解动力学模型，更从原子尺度阐释了电场-催化剂界面协同作用机制。相比传统技术，该方案设备体积减少80%，启动时间缩短至秒级，特别适合船舶、重卡等移动场景。研究团队指出，未来通过优化脉冲频率（当前10kHz）和催化剂酸性位点分布，可进一步将H₂
产率提升至商业化需求水平。这项工作为"液态阳光"氢能技术路线提供了关键技术突破。