综述：介质阻挡放电等离子体催化用于CO2转化的最新进展与展望

这篇综述系统阐述了介质阻挡放电（DBD）等离子体催化技术在CO2转化中的创新应用，重点探讨了CO2甲烷化（methanation）、甲烷干重整（DRM）、甲醇合成（methanol synthesis）和逆水煤气变换（RWGS）四大反应体系。通过分析等离子体-催化剂协同机制、反应路径优化及抗积碳策略，揭示了非平衡电子激发与氧空位设计的协同增效作用，为低温高效CO2资源化提供了新思路。

　　

介质阻挡放电等离子体催化技术概览

等离子体作为物质的第四态，通过高能电子碰撞可高效活化惰性CO₂分子。非热等离子体（NTP）因其电子温度（>10,000 K）与气体温度（接近室温）的显著差异，成为低温催化领域的革命性技术。DBD等离子体凭借其大气压操作稳定性和可控放电特性，在CO₂转化中展现出独特优势，其核心在于通过电子冲击解离CO₂的C=O键（键能750 kJ/mol），将活化能降低至传统热催化的1/3。

CO₂甲烷化的等离子体催化突破

在CO₂+4H₂→CH₄+2H₂O（ΔH=?165 kJ/mol）的放热反应中，Ni/CeZrO_x催化剂与DBD等离子体协同可实现79.7%的CO₂转化率和100%甲烷选择性。关键发现包括：

1. 1.

   等离子体预处理效应：氢等离子体还原的Ni/CeO₂催化剂比传统H₂热还原样品金属分散度提高40%，形成更多Ni-CeO₂界面活性位点

2. 2.

   反应器设计革新：绝热反应器配置使能量效率从40%提升至73%，双介质反应器III的甲醇产率较传统设计提高37倍

3. 3.

   抗积碳机制：La₂O₃添加剂通过"La₂O₃→La₂O₂CO₃"循环路径清除表面碳沉积

等离子体催化CO₂制甲醇的路径调控

Cu/γ-Al₂O₃催化剂在30°C、1 atm条件下通过Eley-Rideal机制实现21.2%的CO₂转化率，HCOO*被证实为关键中间体。值得注意的是：

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  MgO修饰的CuO催化剂通过强CO₂吸附抑制CO副产物，甲醇选择性达72%

• •

  等离子体-光催化杂化系统（如Cs₂SnCl₆/DBD）使CO₂转化率提升6.5%，归因于等离子体诱导的表面电荷迁移增强

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  N₂作为第三组分可降低等离子体功耗，同时稳定放电过程

甲烷干重整的等离子体协同策略

Ni-Fe/Al₂O₃催化剂在滑动弧等离子体辅助下实现CH₄和CO₂转化率分别达91%和79%。突破性进展包括：

1. 1.

   载体形貌效应：CeO₂八面体比立方体样品多提供62%氧空位，使CO₂转化率提升35%

2. 2.

   介孔结构优势：Ni-Co₃O₄/TiO₂介孔催化剂促进反应物扩散，H₂/CO产率提高2倍

3. 3.

   原位表征发现：Operando FTIR显示等离子体环境下反应遵循E-R机制，与热催化的Langmuir-Hinshelwood路径截然不同

未来挑战与机遇

尽管等离子体催化已实现CO₂转化能效27.1%的突破，但距离工业化应用的40%门槛仍有差距。关键瓶颈包括：

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  等离子体-催化剂界面作用机制尚未完全解析

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  千瓦级反应器的放大存在传质传热限制

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  脉冲电源能耗占系统总能耗的65%以上

最新研究趋势显示，将机器学习与等离子体参数优化结合，可预测最佳GHSV（36,000 h^?1）和放电功率（14.9 W）组合，这为下一代智能等离子体反应器设计指明了方向。MOF衍生催化剂与微波等离子体的结合，也被证明可将能量成本从6 kJ/L降至4.3 kJ/L，展现出巨大商业化潜力。