突破放电抑制：BaTiO3与Mn-Cu混合氧化物双组分涂层在正丁烷低温氧化中的应用研究

本研究创新性地采用双组分涂层（BaTiO3与MnO2-CuO催化剂）结合表面介质阻挡放电（SDBD），实现了正丁烷（n-butane）在室温至160°C条件下的高效氧化，CO2选择性高达91.6%。通过BaTiO3的孔隙结构设计克服了传统催化材料对放电点火（discharge ignition）的抑制，为挥发性有机物（VOCs）的低温等离子体-催化协同处理（IPC/PPC）提供了新策略。

　　

突破放电抑制的双组分涂层技术

研究团队通过表面介质阻挡放电（SDBD）电极设计，将传统上会抑制放电的MnO₂-CuO催化剂与介电材料BaTiO₃（BTO）结合，形成具有多孔结构的双组分涂层。BTO作为基底不仅维持了放电稳定性，其三维网络结构还为催化剂提供了分散载体，使放电区域与催化活性位点实现纳米级接触。

实验设计与关键发现

在300 ppm正丁烷/合成空气体系中，双组分涂层（BTO:催化剂=1:2）在160°C和450 J·L^-1能量密度下实现91.6%的CO₂选择性，较未涂层体系提升51%。激光扫描显微镜（LSM）显示，涂层厚度为3 mg·cm^-2时仍能保持均匀放电，而纯MnO₂涂层会导致放电中断。值得注意的是，升温至160°C时催化剂对CO的二次氧化作用显著，使其选择性从室温下的20%降至3.5%。

反应机制解析

通过对比IPC（等离子体催化）与PPC（后等离子体催化）配置，研究发现尽管采用全表面涂覆的IPC构型，反应路径仍符合PPC的连续过程：等离子体先将正丁烷裂解为中间体（如甲醛、酮类），随后催化剂将CO氧化为CO₂。臭氧分解实验暗示MnO₂可能通过催化O₃→O^*的转化提供活性氧物种，但协同效应（synergistic effect）未达显著水平。

环境应用潜力

该技术对难降解饱和烷烃（如正丁烷）的低温处理具有突破意义：

1. 能耗优势：相比传统热催化（通常需300-500°C），160°C下能耗降低60%
2. 抗中毒性：BTO基底避免了催化剂因VOCs复杂成分导致的失活
3. 扩展性：方法可推广至其他放电抑制型催化剂（如CeO₂、Co₃O₄）

研究为工业废气治理提供了新思路，尤其适用于医院、化工厂等场景的突发性VOCs排放控制。未来需通过双光子激光诱导荧光（TALIF）等技术进一步揭示活性氧物种的时空分布机制。