石油学报（石油加工）

2023年第39卷第5期刊出日期：2023-09-10

上一期

特邀主编述评

“等离子体能源转化” 专刊特邀主编述评

邵涛

2023, 39(5): 0-0.

摘要 ( 1 )

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等离子体C1转化与利用

脉冲火花放电等离子体能源转化的现状和挑战

张帅, 章程, 邵涛

2023, 39(5): 963-976. doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2023.05.001

摘要 ( 33 )

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“3060双碳”目标约束下，预计2050年中国以风能、水电、太阳能为主要能源的可再生电力占比将超过60%，直接利用可再生电力制备化学品将成为重要发展趋势。基于可再生电力驱动等离子体技术的能源转化是最具可能性的潜在途径之一，多种气体放电形式的低温等离子体能源转化技术颇受关注。概述了脉冲火花放电等离子体在固氮、CO₂转化、CH₄裂解、高碳烃裂解等多种能源转化反应中的应用进展和技术难题，探讨了快脉冲放电中引导气体击穿机制、气体快速加热机制、通道膨胀效应、链式自由基化学反应等物理化学过程，并提出了利用等离子体诊断手段(条纹相机、场致激光二次谐波，激光诱导荧光、相干反斯托克斯拉曼散射等)和耦合模拟仿真方法(PIC-MCC、流体、反应动力学模型)揭示高能电子、发光图像、空间电场、关键自由基和振动态的演化过程。

水蒸气添加下介质阻挡放电CO₂重整CH₄反应研究

张鹏, 梅丹华, 孙闵杰, 刘诗筠, 方志

2023, 39(5): 977-986. doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2023.05.002

摘要 ( 30 )

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基于介质阻挡放电(DBD)装置，在添加水蒸气的情况下进行CO₂重整CH₄反应，考察水/碳摩尔比对放电特性和反应性能的影响。结果表明：在固定放电功率条件下，使DBD具有最强电荷传输能力和最高反应活性的最佳水/碳摩尔比为0.5；在常见产物合成气、烃类化合物的基础上，主要液态产物为甲醇、乙醇、乙酸和丙酸；在水/碳摩尔比为0.5的条件下，反应物转化率、H₂和CO产率、气相产物的选择性以及转化反应物、生成合成气和烃类化合物的能量效率达到最大值；增加水/碳摩尔比在抑制醇类化合物生成的同时促进酸类化合物的产生，由于总的液相产物生成量随着水/碳摩尔比的增加而逐渐减低，因而对应的能量效率也随之降低。此外，添加水蒸气能促使DBD CO₂重整CH₄反应保持良好的稳定性。

等离子体催化重整CH₄/CO₂中的等离子体强化表面反应动力学研究

孙进桃, 陈琪, 秦婉月

2023, 39(5): 987-994. doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2023.05.003

摘要 ( 59 )

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采用实验测量和模拟预测相结合的方法，通过构建详细的机理并开展零维动力学模拟，研究等离子体催化CH₄/CO₂重整过程中等离子体活性物质对表面反应动力学的强化效应。结果表明：等离子体与催化剂的协同对CH₄和CO₂的活化转化能力远强于纯等离子体；动力学模型对反应物的消耗和产物的生成具有较好的预测能力；活性自由基与吸附态物质之间的E-R反应具有较高的反应活性，能有效改变并促进表面反应路径，如等离子体强化的E-R反应CH₃(s)+O→CH₃O(s)的速率比相应的吸附态物质之间的L-H反应CH₃(s)+O(s)→CH₃O(s)+Ni(s)的速率高4个数量级；等离子体催化CH₄/CO₂重整过程中的表面反应路径主要以气相物质与表面吸附态物质之间的E-R反应为主。

滑动弧放电转化CO₂的影响因素

孟祥祎, 张廷浩, 鲁娜, 商克峰, 姜楠

2023, 39(5): 995-1002. doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2023.05.004

摘要 ( 43 )

PDF (4769KB) ( 46 )

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滑动弧放电装置结构简易、便于组装和拆卸，启停灵活，在CO₂转化领域被广泛关注，提升CO₂转化率是目前研究的重要方向。搭建了平面刀片式滑动弧反应装置，利用调制脉冲电源驱动滑动弧放电，研究反应器结构参数和气相参数对CO₂转化的影响。结果表明：延长电极长度、减小喷嘴直径和反应罩侧部出气能够促进CO₂转化；在电极长10 cm、喷嘴直径和电极间距均为2.5 mm、反应罩侧部出口条件下，CO₂转化能量效率达到52.8%；Ar和N₂能够与放电等离子体中高能电子碰撞产生亚稳态粒子，CO₂分子与亚稳态粒子碰撞发生解离提升CO₂转化率。研究了反应体系中分别添加Ar和N₂时CO₂的转化效果。结果表明，分别添加Ar和N₂体积分数达到90%时，CO₂转化率分别是单一CO₂转化率的2.55倍和3.05倍。

阻挡介质材料对低气压CO₂ 介质阻挡放电转化特性的影响

付强, 叶子凡, 王语菲, 常正实

2023, 39(5): 1003-1012. doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2023.05.005

摘要 ( 32 )

PDF (5853KB) ( 24 )

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介质阻挡放电(DBD)等离子体可产生大量荷能荷电粒子和活性自由基，具有高效、低耗、高可控程度、长使用寿命等优势，在CO₂资源化利用方面表现出良好的应用潜力。针对火星低气压高浓度的特殊CO₂氛围，为探究DBD中阻挡介质材料种类对CO₂转化效果的影响机理，利用kHz正弦电压驱动DBD，实验研究了不同阻挡介质材料对CO₂放电转化特性的影响。结果表明，阻挡介质依次为石英玻璃、环氧树脂、氮化铝、氧化铝、氧化锆(相对介电常数依次为4.7、6.6、9.8、10.2、37.1)时，放电产物中O₂的产量逐渐升高，其中氧化锆作为阻挡介质时的O₂产量远高于其他材料。结合数值仿真分析了阻挡介质相对介电常数和二次电子发射系数对CO₂转化效果的影响机理：固定二次电子发射系数，增大介质相对介电常数，气体间隙平均电场强度增大，放电产生的电子和CO⁺₂密度增大且维持在半峰值以上的时间增加，O₂主要生成反应的速率增大，导致O₂产量增加；固定介质相对介电常数，增大介质二次电子发射系数会降低间隙平均电场强度和平均电子温度，增加间隙平均电子密度，较高电子密度和较低电子温度有利于电子和离子的复合分解反应，促进O₂生成。

结合深度神经网络的大气压脉冲放电转化CO₂研究

王绪成, 张远涛

2023, 39(5): 1013-1024. doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2023.05.006

摘要 ( 34 )

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为了提高等离子数值模拟在放电等离子体转化利用CO₂研究中的计算效率，提出了采用具有多个隐藏层的深度神经网络(DNN)来研究大气压脉冲放电转化CO₂的放电特性与等离子体化学性质，经过训练的DNN能够极大地提高计算效率。DNN预测结果表明：当外加电压幅值不变时，增加脉冲上升率可以提高放电电流密度和击穿电压，同时增强鞘层区域的电场；脉冲坪区宽度的增加会提高介质板表面电荷密度，增强反向感应电场的强度，进而提高脉冲下降阶段的放电电流密度。此外，提高脉冲上升率和坪区宽度都会提高CO、O₂等产物的密度，导致CO₂转化率的增加。基于有限的训练集，DNN能快捷、准确地给出海量的数据以揭示CO₂放电的演化特性与转化规律，这为研究放电等离子体技术转化CO₂提供了新的计算工具。

等离子体-材料相互作用

冷等离子体耦合Mo_xC-Ni/Al₂O₃催化剂用于甲烷水汽重整制氢反应

刁亚南, 所聪, 张晓, 方健聪, 石川

2023, 39(5): 1025-1032. doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2023.05.007

摘要 ( 42 )

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甲烷水汽重整反应是目前工业制氢的主要过程之一，其中提升Ni基催化剂的抗积炭和抗烧结能力以及降低重整操作温度是该工艺的关键。通过将Mo_xC与Ni/Al₂O₃机械混合制备了Mo_xC-Ni/Al₂O₃双功能催化剂(Mo_xC-NiAl)，即Ni解离CH₄，Mo_xC活化H₂O,同时耦合冷等离子体，系统地研究了Mo_xC助剂的加入对催化剂结构、等离子体放电性质(放电功率、有效电容)、催化性能的影响，并通过XRD、Raman、TEM等多种表征方法探究了催化剂的失活机制。研究表明，Mo_xC助剂的加入不仅有效促进金属Ni的再分散，提升催化剂的抗烧结能力，还提高了催化剂的有效电容和放电功率，有助于催化剂活性的提高。与传统Ni/Al₂O₃催化剂相比，无额外热源加热条件下，Mo₂C-Ni/Al₂O₃催化剂在输入电压70 V下可实现CH₄解离速率和H₂O活化速率的匹配，在反应时间29 h内CH₄转化率均保持在80%，展现出优异的催化稳定性。该研究工作实现了在冷等离子体和催化协同作用下CH₄、H₂O等分子的高效活化及速率匹配，为甲烷水蒸气高效重整制氢过程提供了一种可行途径。

低温等离子体协同磷化镍催化甲烷干重整反应性能

王荣, 徐波, 郑兆宇, 王安杰, 刘颖雅, 孙志超, 王瑶

2023, 39(5): 1033-1045. doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2023.05.008

摘要 ( 17 )

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分别采用化学镀法和浸渍法制备Ni₃P/SiO₂和Ni/SiO₂催化剂，并将其与介质阻挡放电等离子体协同催化甲烷干重整制合成气(H₂+CO)反应。对所制备的催化剂进行X射线粉末衍射、X射线光电能谱、N₂物理吸附-脱附和CO₂程序升温脱附表征和催化甲烷干重整性能评价。相较于Ni/SiO₂，Ni₃P/SiO₂具有更大的比表面积和更多缺电子态的Ni^δ+位点，以及对CO₂较强的吸附能力。催化性能评价结果表明，当等离子体输出功率20 W时，Ni₃P/SiO₂具有比Ni/SiO₂更优的甲烷干重整催化活性和稳定性，这可能是Ni₃P/SiO₂表面较多的Ni^δ+位点促进了反应物分子的吸附活化。对Ni₃P/SiO₂催化剂制备条件和反应条件考察结果表明，Ni负载质量分数为15%的催化剂前体在400 ℃下H₂气氛中还原2 h所得的Ni₃P/SiO₂性能最优。该催化剂在等离子体输出功率20 W、进料气体积空速15000 mL/(g_cat·h)、CO₂/CH₄体积比为1的最佳反应条件下，CH₄和CO₂转化率分别为70.9%、62.5%，H₂和CO选择性分别为76%、87%，能量利用率为4.46 mmol/kJ。

等离子体增强Ni基催化剂制备及其催化正戊烷重整性能

周为莉, 章旭明, 徐顺秒, 吴祖良, 任燕, 朱祖超

2023, 39(5): 1046-1058. doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2023.05.009

摘要 ( 23 )

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低温等离子体技术在燃料重整方面有应用前景，但单独利用时能量效率不高，催化剂的引入可有所改善。利用介质阻挡放电反应器，研究了等离子体处理对催化剂Ni/Al₂O₃理化性质的影响，考察了等离子体催化正戊烷重整的不同反应条件对反应物活化和产物生成特性的影响。结果表明：经等离子体处理后的催化剂活性物种粒径更小，与载体相互作用更强，同时催化剂抗积炭性能得到提升，因而反应活性提高，在温度25 ℃、压力0.1 MPa、能量密度3.6 kJ/L的条件下，反应物转化率提高了50%以上；反应物转化受电子引发化学和热化学的共同影响，而产物生成则受热化学和原料气组分的影响。该研究为制备高效抗积炭催化剂提供了新思路，有助于深入理解等离子体协同催化重整过程，为开发车载重整器提供基础技术支持。

氢等离子体制备Pd/GO-P催化材料及其催化还原对硝基苯酚性能

赵玲玉, 赵可鑫, 张秀玲, 滑跃, 底兰波

2023, 39(5): 1059-1069. doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2023.05.010

摘要 ( 17 )

PDF (13409KB) ( 22 )

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通过简单过量浸渍法制备氧化石墨(GO)载钯前驱体(Pd/GO-As)，采用氢等离子体处理制备氧化石墨载钯催化材料(Pd/GO-P)，并以对硝基苯酚(4-NP)还原为模型反应，考察放电电压和放电时间对制备Pd/GO-P催化材料构效关系的影响。研究结果表明：当放电电压为17 kV、放电时间为6 min时，制备的Pd/GO-P催化材料表现出最佳的催化还原4-NP活性，反应速率常数高达1.93 min^-1，相应的浓度归一化速率常数为1038 L/(min·g)，是氢气热还原制备样品活性的9.6倍。这是由于该条件下制备的Pd/GO-P催化材料具有缺陷密度高、含氧官能团丰富、金属活性组分粒径小、分散性好、金属-载体相互作用强等特点，有利于4-NP的吸附和催化活性的提高。氢等离子体是一种快速、绿色、高效、环保的调控制备Pd/GO-P催化材料的方法，对脱除废水中4-NP具有重要参考作用。

大气压等离子体射流放电参数对沉积氧化钛薄膜特性的影响

邓成志, 韩若愚, 连秀云, 冯娟, 张天亮, 李琛, 欧阳吉庭

2023, 39(5): 1070-1081. doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2023.05.011

摘要 ( 20 )

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大气压等离子体增强化学气相沉积(AP-PECVD)功能薄膜技术受到广泛的关注，但等离子体的作用机理仍有待进一步探讨。利用针-板电极大气压电晕Ar等离子体射流，在不同放电频率条件下，对单、双脉冲的放电参数及沉积TiO₂薄膜的性质进行比较，阐明了脉冲放电特性对等离子体参数和TiO₂薄膜生长的影响，进而推断AP-PECVD中等离子体的作用机理。结果表明：单个电压周期内，放电电流呈稳定的单脉冲或双脉冲，电晕等离子体射流区域呈均匀弥散分布，沉积的氧化钛薄膜均匀致密；其他条件相同的情况下，双脉冲放电极间平均耗散功率、等离子体气体温度大于单脉冲放电，并且等离子体区域发光显著增强，发射光谱计算得到大气压等离子体射流电子激发温度约8000 K，双脉冲等离子体射流电子温度略高于单脉冲等离子体射流。对于薄膜生长，双脉冲放电薄膜沉积速率比单脉冲放电大，沉积的薄膜更加致密，亲水性更强。由于等离子体参数上的差异，在钛酸异丙酯解离过程和TiO₂薄膜形成时的表面扩散过程中，双脉冲等离子体射流比单脉冲射流贡献更大，有利于快速沉积更致密、亲水性更高的氧化钛薄膜。

Si纳米线/ZnFe₂O₄/AgBr光催化剂的构建及其磁场可调控性能

张仕杰, 史超杰, 唐继霞, 钱图, 梁丽丽, 李雪辰, 田禾, 贺婕, 杨正春

2023, 39(5): 1082-1091. doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2023.05.012

摘要 ( 29 )

PDF (6777KB) ( 16 )

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采用金属辅助化学刻蚀法和水热法制备了Si纳米线/ZnFe₂O₄/AgBr复合光催化剂，考察了Si纳米线/HNO₃/AgBr在磁场作用下的光催化性能。结果表明：Si纳米线/ZnFe₂O₄/AgBr复合光催化剂在未使用HNO₃溶液浸泡且无磁场作用时的光电流密度为0.25 mA/cm²，开启电压为0.4 V；Si纳米线/ZnFe₂O₄/AgBr复合材料在合成时表面会产生Ag，采用HNO₃溶液将其浸泡除去Ag，浸泡后光电流密度为0.07 mA/cm²，相比于未使用HNO₃溶液浸泡时的光电流密度明显下降，这是由于Ag具有传输电子与空穴的能力，可加快ZnFe₂O₄和Si纳米线间光生电子和光生空穴对的分离，从而提高光电流密度；当外加80000 A/m磁场时，其光电流密度增加至0.2 mA/cm²，开启电压为0.28 V，表明磁场可显著提高该复合光催化剂的光催化效率。Si纳米线/ZnFe₂O₄/AgBr界面处的能带弯曲加快了光生载流子的传输，减少了光生空穴与光生电子间的复合，使更多的电子和空穴可参与到光催化过程中，进而提高了体系的光催化性能。在光催化过程中，外加磁场使体系所产生的光生载流子可以更快速地传输至光催化剂表面，进一步增强体系的光催化效率。

Au/Cu₂O@Au可见光催化CO₂还原性能

张瑞, 齐仲, 史军军, 贺婕

2023, 39(5): 1092-1103. doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2023.05.013

摘要 ( 57 )

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为提高光催化还原二氧化碳(CO₂)的产物产率和选择性，采用一步法在空腔氧化亚铜(Cu₂O)中引入金属Au，制备了Au/Cu₂O@Au光催化剂。通过XRD、SEM、TEM、XPS、紫外-可见吸收光谱等表征和光电化学性能测试对光催化剂进行分析，考察了Au/Cu₂O@Au光催化剂催化还原CO₂性能。结果表明：Au/Cu₂O@Au光催化剂具有优异的性能，在光照强度为20 mW/cm²的可见光照射下，该光催化剂将CO₂光催化还原为甲烷(CH₄)和一氧化碳(CO)的产率分别为4.86和42.04 μmol/(g·h)，选择性分别为31.62%和68.38%。与空腔Cu₂O光催化剂相比，CO产率提高了8.12倍，选择性提高了32.84百分点。一步法合成的Au/Cu₂O@Au光催化剂中的Au颗粒分布在Cu₂O的表面和空腔内部，独特的Au分布与空腔协同作用，提高了光催化剂对可见光的吸收能力、光生载流子分离能力和转移能力，有效抑制了光生载流子的复合，实现了CO产率和选择性的提高。

生物质转化及其他绿色化工过程

等离子体电解液化生物质的发展及展望

黄紫薇, 席登科, 张先徽, 杨思泽

2023, 39(5): 1104-1115. doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2023.05.014

摘要 ( 19 )

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生物质能源具有储量丰富、可再生、碳中性等特点，有望成为化石能源的替代品，解决化石能源使用所带来的能源危机和温室效应等问题。通过电能/等离子体能将生物质能转化为化学能是实现碳移除和负排放重要途径，其中电能-等离子体-生物质能-化学能之间的闭环转化(零损耗)显得尤为重要。将低价值、可再生、生物质能转化为更高价值的形式(化学能)，为燃料和化学品生产提供了可行的机会，在生物质能转化为化学能过程中实现了碳中和与零排放，为未来生物质能在技术、环境和经济上投入应用铺平道路。系统阐述了等离子体电解液化生物质的原理以及产物应用方面的研究进展，同时针对等离子体电解液化的缺点，提出相应的策略，为未来的研究和转化提供参考。

低温等离子体二氧化碳和生物质炭协同反应特性

张英豪, 朱珉, 张潮海

2023, 39(5): 1116-1123. doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2023.05.015

摘要 ( 25 )

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提出了生物质炭增强CO₂低温等离子体裂解反应的新方法，将碳作为CO₂裂解反应的还原剂，利用低温等离子体反应器实现C与CO₂Boudouard反应发生，促进产物O₂含量减低和CO产率提高。石英棉和生物质炭填充在介质阻挡放电低温等离子体反应器中，通过添加保温装置改善反应区域内部温度，考察CO₂流量、施加电压和反应区域温度对CO₂转化率、能量效率及产物分布的影响。结果显示：生物质炭的填充可有效地抑制产物O₂摩尔，提高CO的产率;施加电压和反应区域温度都是影响CO₂Boudouard反应的重要因素;随着保温装置的添加和施加电压的升高，CO₂Boudouard反应更容易发生，CO₂转化率和产物CO与O₂摩尔比逐步升高;当施加电压为25 kV时，CO₂Boudouard反应对CO₂转化贡献率达到35%，CO₂转化率可达21.36%。

电场局域增强介质阻挡放电对CO₂氧化生物质焦油制合成气的影响

郭亚逢, 程世业, 鲁娜, 唐诗雅, 关银霞, 李超

2023, 39(5): 1124-1132. doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2023.05.016

摘要 ( 26 )

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以苯为生物质气化焦油的模型分子，在全新设计的电场局域增强的介质阻挡放电(DBD)低温等离子体反应器中开展苯与CO₂反应制合成气的实验研究，考察了放电电压和CO₂初始浓度对苯与CO₂转化率的影响。结果表明，以氩气为载气的280 μL/L苯和3000 μL/L CO₂混合气在流速250 mL/min、放电功率60.3 W条件下，苯和CO₂的转化率最高可达40.2%和67.3%，产物H₂与CO的摩尔比达到0.132；苯能显著促进CO₂转化，而CO₂初始浓度对苯转化率影响小，且CO₂能显著降低苯降解的中间产物丙酮。结合发射光谱分析，推测了苯与CO₂制合成气的反应过程，表明苯的亲核属性可能是CO₂转化效果提高的主要因素。本研究为温和条件下CO₂氧化生物质气化焦油制合成气奠定了基础。

脉冲介质阻挡放电等离子体甲基萘加氢转化

范喆, 孙昊, 张帅, 窦立广, 韩伟, 杨清河, 邵涛

2023, 39(5): 1133-1141. doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2023.05.017

摘要 ( 20 )

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随着全球石油资源重质化程度不断加深，常规石油加氢工艺正面临愈发严重的挑战。低温等离子体技术为缓解加氢工艺中高温、高压、催化剂失活等难题提供了新思路。选择1-甲基萘作为重质油模型化合物，在无催化剂的温和条件下研究脉冲介质阻挡放电等离子体加氢的转化规律和反应机理。结果表明:甲基萘在氢气等离子体中容易发生饱和加氢反应，而在甲烷等离子体中则更易发生不饱和加氢反应；增大脉冲电压与脉冲重复频率有利于等离子体甲基萘加氢，但过高会导致加氢反应向裂解反应转变。获得了等离子体甲基萘加氢反应的发射光谱和H_α谱线演化过程，估算气体温度约为350 K，结合密度泛函计算结果推测等离子体甲基萘加氢是H自由基引发的芳香环逐步加氢反应。研究结果为后续等离子体加氢研究提供了参考。

气-液混合脉冲放电耦合芬顿反应再生吸附苯酚的活性炭

姜楠, 李冲, 李娜, 李杰, 鲁娜, 商克峰

2023, 39(5): 1142-1152. doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2023.05.018

摘要 ( 18 )

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提出将芬顿(Fenton)反应与气-液混合脉冲放电等离子体耦合提高活性炭再生率的方法，考察了Fe²⁺含量、溶液pH值等相关实验参数对该耦合系统中活性炭再生性能的影响。表征了活性炭再生前后比表面积、孔隙结构、表面化学性质等变化规律，结合对耦合再生体系中活性物质的测量和活性炭萃取液中苯酚降解中间产物的测定结果推测活性炭的再生机理。结果表明，耦合芬顿反应能有效提高气-液混合脉冲放电等离子体中H₂O₂的利用率，使吸附苯酚饱和的活性炭的再生率从84%提高到96%。

纯水和液氮中金属丝电爆炸与等离子体气泡特性实验研究

冯娟, 白洁, 袁伟, 王芝, 韩若愚

2023, 39(5): 1153-1161. doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2023.05.019

摘要 ( 21 )

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金属丝电爆炸能有效地将电能转化为机械能(冲击波和等离子体气泡)，在化石能源开发等领域取得了成功应用。为明确不同液体中金属丝电爆炸等离子体气泡行为，搭建可变环境金属丝电爆炸实验平台与诊断系统，通过改变电容充电电压，获得不同储能下kA量级和μs时间尺度的脉冲电流，驱动直径为50 μm的铜丝电爆炸。通过测量负载电压、回路电流以及拍摄高速阴影图像，对放电瞬态过程进行诊断和分析。结果表明:不同系统储能或负载规格下，液体中金属丝电爆炸存在非周期型放电、周期型放电以及电流暂停放电3种模式；与纯水(蒸馏水)介质相比，液氮中电爆炸具有更高的电压峰值(平均高约6%)、功率峰值(平均高约14%)。纯水中等离子体气泡脉动过程受系统储能和负载规格影响，系统储能从2 J增大至10 J时，气泡最大径向半径从约9.4 mm增大至约18.6 mm，第一脉动周期从约1.6 ms增长至约2.6 ms，气泡能量从约0.4 J增大至约2.3 J，气泡能量效率相对稳定，为18%~25%；相同储能下增加金属丝长度，最大径向半径逐渐缩短。储能2.5 J下，液氮气泡第一脉动周期比纯水中长约0.6 ms，最大径向半径约为纯水中气泡的1.17倍，在气泡收缩阶段，液氮气泡收缩速度慢，最小收缩半径约为纯水中气泡的1.53倍。

等离子体固N2与氢能利用

大气压Ar-NH₃混合气体氧化锆介质阻挡放电特性与产物分布

赵妮, 田浩, 付强, 常正实

2023, 39(5): 1162-1172. doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2023.05.020

摘要 ( 25 )

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为了更好地调控等离子体氨制氢的效果，从等离子体自身入手，采用较高介电常数(37.1)的氧化锆阻挡介质，通过改变外施电压幅值和NH₃掺杂比例，研究大气压Ar-NH₃混合气体氛围放电的光电特性，利用光学发射光谱分析了放电产物的种类和代表性产物的分布规律。研究发现，随着外施电压的增加，等离子体沉积的功率逐渐增强，放电电流脉冲数目逐渐增加。较低NH₃比例下，亚稳态Ar原子和NH₃之间的彭宁反应使得放电图像表现为由汤森发展成辉光放电；而在较高NH₃比例下，NH₃对放电的淬灭作用逐渐增强，使得放电图像表现为细丝状。放电后缓慢降低电压时，较低NH₃比例下的辉光放电保持该放电模式熄灭，而较高NH₃比例下的丝状放电以单根放电柱熄灭。随着NH₃比例的增加，放电颜色由淡紫色转变为橙黄色，放电发射光强逐渐减弱，NH₃对电子的淬灭作用打破了电子产消的平衡模式，大量消耗了激发态氩原子和降低了NH产量，使得产物浓度逐渐降低。研究结果说明，一方面可以利用NH₃比例来调控放电模式，另一方面可通过外施电压幅值和NH₃比例协同控制放电产物浓度。

等离子体辅助铈基催化剂催化氨制氢的性能研究

高一博, 胡二江, 殷阁媛, 黄佐华

2023, 39(5): 1173-1183. doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2023.05.021

摘要 ( 40 )

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以铈基纳米球(CeO₂-S)为载体，掺杂3d过渡金属(Fe、Co和Ni)，研究金属掺杂CeO₂基催化剂在氨分解制氢反应中的催化性能。采用X射线衍射仪(XRD)、高角度环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)、能量色散X射线能谱(EDX-mapping)、拉曼(Raman)等表征方法对催化剂的理化性质进行分析。结果表明，与单金属掺杂相比，双金属共掺杂的CeO₂基催化剂增加了催化剂的氧空位，促进了电子从CeO₂载体向活性金属的转移，进而促进氨分解。在非热平衡等离子体(输入电压8000 V)辅助催化氨分解反应中，FeCo/CeO₂S催化剂的H₂生成速率最高，达到29.3 mmol/(g_cat·min)，并在550 ℃下实现NH₃的完全转化。等离子体与催化剂协同可进一步提高氨分解制氢的性能，为能源载体制氢提供一种新思路。

基于微米级液滴的低温等离子体水基固氮与雾培应用

高皓天, 刘大伟

2023, 39(5): 1184-1193. doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2023.05.022

摘要 ( 38 )

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针对氮肥的生产问题，提出了一种新型人工固氮方案，该方案基于纳秒脉冲等离子体技术，微米级雾滴在通过空气等离子体的过程中，形成了含有NH⁺₄、NO^-₃、NO^-₂和其他活性物质的等离子体活化雾(PAM)。该系统采用自制的纳秒脉冲电源供电，可由功率为200 W的太阳能电池板驱动，在此条件下，产出以NO^-₃为主的液相固氮产物，其固氮能耗仅为48.67 MJ/mol。为验证该系统的固氮效果，将其与自主设计的雾培系统相结合，将含氮营养物质直接输送到植物的根部。结果显示，该方案使豆芽的叶片生叶率显著提高，叶片面积增加了30%以上。相比于传统实验室规模的等离子体反应器，该装置在时间尺度上具有更高的能量密度，在空间尺度上具有更大的反应面积，这大大降低了固氮的能耗。新型人工固氮方案具有低能耗、可扩展、可接入清洁可再生能源的特点，有望实现可持续生产和分布式应用。

N₂等离子体活化增强镍铁-甘油酸微球的析氧性能

史静怡, 严萍, 遇鑫遥

2023, 39(5): 1194-1204. doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2023.05.023

摘要 ( 19 )

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析氧反应是一个涉及4个质子/电子的反应，动力学缓慢，急需开发高效、低成本的析氧反应电催化剂。金属-甘油酸配位化合物因具有纳米结构易于合成、组分易于调控等特点，被广泛用作模板合成金属氧化物、磷化物和硫化物等析氧反应催化剂。但这些催化剂的合成通常需要较高的温度、较长的反应时间或使用有毒的磷源、硫源等。目前，仍然缺乏一种低温、环境友好和快速的方式将金属-甘油酸配位化合物转变为高效析氧反应催化剂。采用N₂等离子体活化镍铁-甘油酸微球(NiFe-Gly)，使其在低温下快速转化为含有镍单质、氮化镍和少量铁物种的中空微球(P-NiFe-Gly)。由于其组分和结构上的优势，P-NiFe-Gly展现出优异的析氧反应性能，在电流密度为10 mA/cm²时的过电位仅为230 mV，且具有较好的稳定性。电化学原位拉曼光谱研究表明，等离子体活化能够促进P-NiFe-Gly更快速地产生活性物种NiOOH，进而提升析氧反应活性。

甲烷等离子体裂解制氢制碳的影响因素研究

吴祖良, 成雨莲, 高尔豪, 李晶, 朱佳丽, 姚水良, 王建新, 江捷

2023, 39(5): 1205-1214. doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2023.05.024

摘要 ( 19 )

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