脉动射流低温等离子体-流态化用于Boudouard反应实现CO2高效转化的基础研究

The conversion of CO2 to value-added CO via the Boudouard reaction (CO2+C→2CO) with renewable biochar as reactant has shown promising prospects. Whereas, high temperature condition (normally >850℃) and high-performance catalyst are both mandatory in the traditional thermochemical routes, thus severely restricting its potential application. In this study, an atmospheric pressure pulsed non-thermal plasmatron technology is proposed with the objective of breaking through the obstacle of the traditional thermochemical reaction kinetics. Based on the facilitating effects of highly energetic electrons and reactive species in plasma, the Boudouard reaction can proceed with the elimination or relaxation of both high-temperature condition and catalyst. In addition, a fluidization reaction area can be formed with the driving effect of plasma jet on the introduced biochar particles, thus resulting in an enhancement in the efficiency of gas-solid reaction. This project intends to conduct a systematic investigation with the combination of experimental research, theoretical analysis, and modelling study. The discharge mechanisms of plasma will be illustrated and the physical properties will be characterized, based on which an effective regulation of the plasma can be obtained. After the establishment of a stable and efficient plasma-fluidization reaction area, the effects of biochar properties, plasma characteristics as well as the reaction conditions on the reaction performance of CO2 and biochar will be further investigated. In addition, the formation and vanishment of key intermediate species will be intensively explored, providing valuable information for the establishment of a plasma-chemical reaction kinetics model, which will then help to reveal the mechanisms of the plasma-chemical reaction between CO2 and biochar. Based on the aforementioned investigation, it is deeply expected that a novel method for the flexible and efficient conversion of CO2 to CO at atmospheric pressure with the elimination or relaxation of both high-temperature condition and catalyst can be developed.

CO2通过与可再生生物炭的Boudouard反应（CO2+C→2CO）转化为高附加值的CO具有广泛的应用前景，但传统热化学方法需要依赖高温（一般＞850℃）和高性能催化剂的共同作用，严重制约其应用。本项目提出采用大气压脉动射流低温等离子体技术，基于高能电子和活性粒子的作用突破传统热化学反应动力学障碍，摆脱对高温和催化剂的依赖。同时，利用等离子体射流驱动生物炭形成气固流态化反应区，提高反应效率。项目结合实验研究、理论分析和数值模拟，阐明等离子体放电机制和物理特性，实现物理参数的有效调控；建立高效等离子体-流态化反应区，进而研究生物炭特性、等离子体物理特性及反应条件等因素对CO2与生物炭反应效果的影响规律；探索关键中间粒子的产生及湮灭机理，建立等离子体化学反应动力学模型，揭示等离子体作用下CO2与生物炭的反应机理。最终为不依赖催化剂、常压低温下实现CO2高效转化为CO探索出灵活便捷的可行途径。

近年来，CO2与生物炭的Boudouard反应作为一种CO2利用的高效路径得到广泛研究，但传统热化学方法需要依赖高温（一般＞850℃）和高性能催化剂的共同作用，严重制约其应用。本项目为此开发了大气压射流低温等离子体技术，基于高能电子和活性粒子的作用突破传统热化学反应动力学障碍，促进反应的高效进行。主要研究内容及成果如下：. （1）深入认识了等离子体的放电机制和物理特性，发现了电弧放电的周期性脉动规律以及射流推进的Bullet机制。. （2）系统地探索了等离子体发生源、电源参数、等离子体催化、反应条件、流态化反应区、生物炭物理化学特性以及添加气等因素对CO2转化反应效果的影响规律并将其优化，证实了高温对滑动弧等离子体中CO2分解的抑制作用以及反应区冷却对反应快速稳定和CO2转化的促进作用；创新性地开发了磁场增强型滑动弧等离子体射流反应器，发现了磁场的加入对放电区域增大、工况范围优化、电极寿命增加以及CO2转化效果提升的显著作用；进一步地，国际上首次发现了等离子体射流与光催化剂TiO2在一段式耦合结构中对CO2分解的协同促进作用，催化剂对CO2转化率的相对提升可达138%，并证实了高能电子对光催化的活化机制；在大气压射流等离子体用于CO2和生物炭的Boudouard反应中，证实了生物炭对CO2转化的显著促进作用以及等离子体在反应动力学方面的关键作用，CO2转化率可由9.9%极大提升至27.2%，能量效率高达36.4%，同时几乎无O2产生，与传统低温等离子体CO2分解反应相比显示了明显的优势，且其处理能力提高了1-3个数量级。. （3）结合反应过程原位诊断，建立了放电电弧的二维/三维耦合模型以及CO2分解的反应动力学模型，并基于实验和理论分析认识了CO2与生物炭的反应机理，发现了振动激发态CO2分子在反应中的重要作用，以及CO2和生物炭反应中CO2分解和C氧化的两步反应机制。. 基于以上研究探索出了常压低温条件下等离子体促进CO2高效转化的新的可行途径。项目已资助发表期刊论文15篇，其中国际期刊论文14篇，硕士学位论文1篇；已授权发明专利5项；参加国际/国内学术会议5次，作口头报告4次（其中特邀报告2次）；培养博士/硕士研究生5名；顺利完成项目预期目标。