原位紅外等離子體漫反射

等離子體催化，作為一種前景廣闊的低溫高效催化技術(shù)，正成為CO?轉(zhuǎn)化、污染治理甚至合成氨等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，傳統(tǒng)的表征技術(shù)往往只能捕捉反應(yīng)的“靜態(tài)快照”，無(wú)法實(shí)時(shí)追蹤催化劑表面物種的動(dòng)態(tài)變化。“等離子體與催化劑如何實(shí)現(xiàn)‘1+1>2’的協(xié)同增效？反應(yīng)過(guò)程中催化劑表面物種如何動(dòng)態(tài)演化？” 這兩大核心問(wèn)題，長(zhǎng)期以來(lái)困擾著研究人員。

原位紅外等離子體漫反射技術(shù)（In-situ Plasma DRIFTS）的出現(xiàn)，為我們提供了一個(gè)獨(dú)特的“分子鏡頭”，它能在等離子體活化與反應(yīng)進(jìn)行的同時(shí)，利用原位紅外光譜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)催化劑表面物種變化，能夠?qū)崟r(shí)捕捉等離子體催化過(guò)程中的每一個(gè)關(guān)鍵瞬間。

產(chǎn)品特點(diǎn)

1、高靈敏度： 

可檢測(cè)催化劑表面微量、瞬態(tài)的活性中間物種，不遺漏關(guān)鍵反應(yīng)細(xì)節(jié)。

2、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)： 

像“錄像”一樣全程記錄表面物種“出現(xiàn)—增長(zhǎng)—消失”的完整動(dòng)態(tài)過(guò)程，突破傳統(tǒng)“拍照”式靜態(tài)分析的局限。

3、協(xié)同機(jī)理揭示： 

核心技術(shù)價(jià)值所在，為“等離子體-催化劑”之間“1+1＞2”的協(xié)同效應(yīng)提供直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)，助力理性催化劑設(shè)計(jì)。

4、低溫觀測(cè)優(yōu)勢(shì)： 

特別適用于傳統(tǒng)高溫條件下難以捕捉的表面反應(yīng)過(guò)程，拓展了研究邊界。

核心反應(yīng)池-等離子體漫反射池

產(chǎn)品參數(shù)：

設(shè)計(jì)溫度：500℃或常溫可選；

設(shè)計(jì)壓力：常壓；

產(chǎn)品材質(zhì)：不銹鋼316+陶瓷；

光照窗片：石英；

紅外窗片：CaF2*2；

電極設(shè)計(jì)：中心高壓電極、環(huán)形電極；

氣路設(shè)置：設(shè)置進(jìn)出氣口，可通入氣氛。

應(yīng)用領(lǐng)域

原位紅外等離子體漫反射最主要、最前沿的應(yīng)用領(lǐng)域是“等離子體催化”方向 ，特別是在以下反應(yīng)中：

1. 溫室氣體轉(zhuǎn)化與利用（Carbon Capture and Utilization, CCU）

當(dāng)前最熱門(mén)的應(yīng)用領(lǐng)域。目標(biāo)是將CO?和CH?這兩種主要的溫室氣體轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的燃料或化學(xué)品。

反應(yīng)： 二氧化碳加氫（CO? Hydrogenation） 和 甲烷干重整（Dry Reforming of Methane, DRM: CO? + CH? → 2CO + 2H?）

研究?jī)?nèi)容：

· 探測(cè)反應(yīng)中間體： 等離子體活化會(huì)產(chǎn)生哪些關(guān)鍵中間物種。例如，在CO?加氫中，可以直接觀測(cè)到催化劑表面甲酸鹽（formate, HCOO?）、碳酸鹽（carbonate, CO?2?）、一氧化碳（CO） 等物種的形成和消耗動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

· 揭示等離子體與催化劑的協(xié)同效應(yīng)： 等離子體產(chǎn)生的活性粒子如何與催化劑表面相互作用，是等離子體先活化氣體，再在催化劑表面反應(yīng)；還是等離子體改變了催化劑表面狀態(tài)，使其更易活化。通過(guò)DRIFTS可以直觀看到催化劑表面吸附位點(diǎn)的變化。

· 優(yōu)化催化劑和等離子體參數(shù)： 通過(guò)比較不同催化劑（如Ni、Co、Pt基催化劑）在等離子體下的表面物種，篩選出活性最高、最穩(wěn)定的催化劑。

2. 揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）的低溫催化氧化

工業(yè)廢氣中的VOCs傳統(tǒng)上需要在高溫下才能被催化氧化去除，能耗高。等離子體催化可以在接近室溫下實(shí)現(xiàn)高效降解。

反應(yīng)： 甲苯、甲醛、丙酮等VOCs的氧化分解。

研究?jī)?nèi)容：

· 追蹤降解路徑： 觀察VOCs分子在催化劑表面是如何被等離子體產(chǎn)生的活性氧物種（如O?, ·OH, O?）一步步分解的?？赡軙?huì)檢測(cè)到部分氧化產(chǎn)物（如醛類(lèi)、羧酸類(lèi)）的積累，這有助于避免有毒副產(chǎn)物的生成。

· 研究催化劑抗積碳能力： 反應(yīng)不完全可能導(dǎo)致碳煙（soot）或積碳（coke）覆蓋催化劑活性位點(diǎn)。DRIFTS可以靈敏地檢測(cè)到催化劑表面C-H和C=C鍵的形成，直觀評(píng)估催化劑的失活過(guò)程并指導(dǎo)抗積碳催化劑的開(kāi)發(fā)。

3. 氮氧化物（NOx）的去除

例如用于柴油車(chē)尾氣處理的低溫等離子體催化系統(tǒng)。

反應(yīng)： NO的氧化、SCR（選擇性催化還原）反應(yīng)。

研究?jī)?nèi)容：

· 識(shí)別吸附物種： 觀察NO、NH?等反應(yīng)物在催化劑表面的吸附形態(tài)（如橋式硝酸鹽、螯合式硝酸鹽、亞硝酸鹽等）。

· 闡明反應(yīng)機(jī)理： 研究等離子體如何促進(jìn)“快速SCR”反應(yīng)路徑，通過(guò)檢測(cè)關(guān)鍵中間體來(lái)驗(yàn)證“Langmuir-Hinshelwood”或“Eley-Rideal”等反應(yīng)機(jī)理。

4. 氮?dú)夤潭ê铣砂保∟? Fixation）

傳統(tǒng)的哈伯-博斯法合成氨需要高溫高壓。等離子體催化為溫和條件下的合成氨提供了新路徑。

研究?jī)?nèi)容：

· 探測(cè)關(guān)鍵步驟： N≡N三鍵的斷裂是合成氨的決速步。DRIFTS可用于尋找等離子體環(huán)境中在催化劑表面形成的氮?dú)渲虚g體（如N?H?），這對(duì)于理解等離子體如何活化惰性的N?分子至關(guān)重要。

總結(jié)

原位紅外等離子體漫反射技術(shù)通過(guò)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)催化劑表面物種演變，為揭示等離子體催化反應(yīng)機(jī)理、優(yōu)化催化劑與工藝參數(shù)提供了強(qiáng)大工具，顯著推動(dòng)了低溫等離子體催化技術(shù)在能源與環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。