中国物理学会第二十七届全国静电学术年会

将甲烷（CH₄）和二氧化碳（CO₂）等碳基分子在温和条件下直接转化为高值化学品和燃料，对实现温室气体资源化利用具有重要意义。然而，这两种分子固有的化学惰性使得传统热催化过程面临严峻挑战：反应通常需在800°C以上的高温才能获得理想的转化效率，这不仅造成巨大能耗，还导致催化剂因积碳和烧结而快速失活。低温等离子体技术因其非平衡特性，能够在接近常温条件下活化惰性分子，突破热力学平衡限制，为这一难题提供了创新解决路径。介质阻挡放电（DBD）因其可与催化剂产生显著协同效应，被视为碳基分子转化的潜在革命性技术。流化床介质阻挡放电（FB-DBD）通过催化剂流态化大幅拓展了等离子体与表面活性位点的有效接触面积，优异的传热传质特性亦有利于反应稳定运行。然而，流化过程对气体流速的高度敏感性导致系统控制难度显著增加。本文基于流体动力学仿真，系统分析了不同构型FB-DBD反应器内的催化剂流化行为，以流化均匀性与稳定性为优化指标改进了反应器结构设计；结合填充氧化铝条件下的放电强度、能量效率、电子密度及气体反应性能等关键参数，确定了最优运行条件。通过与传统填充床介质阻挡放电（PB-DBD）的对比实验，以甲烷干重整为模型反应进行性能评价。研究结果表明，FB-DBD通过催化剂流化实现了等离子体-催化剂协同效应的双重提升：在电场分布方面，流化的催化剂颗粒有利于均化电场分布，显著降低击穿电压并消除因催化剂的填充导致的局部电场畸变；在反应动力学方面，流化过程中活性位点的动态变化使反应气体的接触面积显著提升，在同等工况下气体转化率提高约3.4%。上述结果表明，FB-DBD在碳基分子高效转化领域具有广阔的工程化应用前景。
 

等离子体协同催化；流化态催化剂；碳基分子；放电特性；反应性能