基于原位光谱技术的低温等离子体催化脱硝协同机理研究

Complementary combination of non-thermal plasma (NTP) with catalyst by introducing the catalyst in the discharge zone is aimed to combine the high selectivity of the catalyst with the high reactivity of the plasma. Understanding the interaction between NTP and a catalyst is important for further optimization of a plasma catalysis setup. However, synergistic mechanism is still in the early research stages and fundamental information on the interaction of NTP with a catalyst is still lacking, thus, further study is required. During the plasma catalysis process, the interaction of various intermediate species is very complex. The underlying complexity of collection and analysis of in situ date duiring plasma catalysis process seemingly simple concept, however, is overwhelming..The applicant has discussed with engineer of Thermo company and designed a unique in situ cell,which was aimed to achieve collection of spectrum information in the NTP catalysis. In this study, the optical emission spectroscopy (OES) of excited species and the in situ FTIR of catalyst surface will be used to illuminate the evolution of active species of NTP and species of catalyst surface, respectively. The effect of operational parameters, geometrical parameters and catalyst properties on OES and FIRT will be investigated to get the quenching and energy distribution information of active species in NTP and the reaction mechanism of plasma catalysis, furthermore, the influence of these parameters on NO removal efficiency and reaction mechanism will be discussed. All of these achievement will be useful for the industrial application of plasma catalysis.

低温等离子体（NTP）辅助催化技术，旨在催化过程中引入等离子体以促进催化反应，以期实现优势互补。但由于NTP催化反应中，反应中间物种的种类庞杂、交叉影响繁复多变、原位数据收集和分析困难（无适用于NTP场的原位红外设备），使得NTP催化协同机理难以明确，从而制约了该技术的深入研究与应用，目前已有的国内外研究仍未对其本质机理有清晰一致的表达。.申请人与Thermo公司技术人员探讨创新设计了独特的实验手段，基于顶置平台模块和专用原位池，实现了NTP场作用下瞬态光谱信息的原位获取。本课题拟通过收集活性基团产生的发射光谱和原位红外光谱，系统分析等离子体活性物种和催化剂表面反应物种的变化特性；通过改变运行参数、结构参数和催化剂性质等条件捕捉瞬态光谱信息，对比分析活性物种的生成猝灭规律、能量特征、反应历程，从而分析对NO脱除效率和机理的本质影响规律，为未来的工业应用提供理论指导。

低温等离子体（NTP）催化脱除模拟烟气和汽车尾气中的 NOx，其结合了等离子体活性高和催化剂选择性的特点而成为各国研究人员关注的热点。但由于NTP催化反应中，反应中间物种的种类庞杂、交叉影响繁复多变、原位数据收集和分析困难，使得NTP催化协同机理难以明确，从而制约了该技术的深入研究与应用。.本课题通过收集活性基团产生的发射光谱和原位红外光谱，系统分析了等离子体活性物种和催化剂表面反应物种的变化特性；通过改变运行参数、结构参数和催化剂性质等条件捕捉瞬态光谱信息，对比分析了活性物种的生成猝灭规律、能量特征、反应历程，从而明确了对NO脱除效率和机理的本质影响规律，为未来的工业应用提供理论指导。.主要研究结果及关键数据：.a）研发了能够在等离子体场下的原位红外反应器，并申请国家发明专利；.b）通过发射光谱技术，分析NTP反应过程中能够产生N2的亚稳态、O原子等活性物种，其能量大于6.2 eV能够降解绝大多数的污染物分子；.c）NTP产生过程中产生的N2第二正带系光谱的波长范围为300-400 nm能够活化TiO2紫外光催化；.d）催化剂引入NTP能够降低其产生所需要的最小电压，同时能够改变NTP的分布从空间放电到空间/表面放电结合的形式；NTP中的氧活性物种能够改变催化剂表面的氧分布和金属离子价态，从而改变反应路径；NTP中的电子能够附着于催化剂表面从而改变催化剂表面的电子结构；.e）NTP中的氧活性物种能够促进NO在催化剂表面的吸附，但是由于NTP整体温度低于100℃，因此产物硝酸盐和亚硝酸盐的脱附是催化剂设计的关键决速步骤。.本项目理清了等离子体催化过程中活性物种的种类、性质及相互作用，阐述低温等离子体协同催化机理，为低温等离子体催化反应器设计、催化剂设计及实际应用过程提供理论依据。本课题的成果为相关行业在污染物脱除方面的技术探索与研究提供了有益借鉴，也对等离子体物理、等离子体化学等相关学科提供了详细的应用指导参数。