An Experimental Study of Reactions of Co and H2 in a Continuous Flow Microwave Discharge Reactor

The reactions of CO/H2 mixtures in a flowing microwave (2450 MHz) reactor system have been studied experimentally. This versatile microwave plasma source catalyzes the reactions selectively to products, mainly methane and acetylene. For reaction times of 0.1 to 0.5 seconds in the pressure range of 10 to 90 torr conversions of CO to hydrocarbons ranged from 4 to 19%. Electric and magnetic field configurations in the reactor, i. e. various electromagnetic modes, appear to have only minor effects on the chemical reactions. It was observed that the conversion of CO to hydrocarbons is enhanced by high ratios of H2/CO. Based on analysis of experimental data, hydrogen radical production appears to be the controlling mechanism for producing both methane and acetylene.     

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在常温常压下采用新型旋转电极等离子体反应器，对辉光等离子体作用下的甲烷偶联反应制C2烃进行了研究。结果表明，甲烷偶联反应的主要产物为C2H2，占C2烃的80%以上，能量效率在5.6%～11.2%之间；增加H2含量可以提高CH4转化率和C2烃收率；在500～2200kJ•mol−1的能量密度范围内，CH4转化率随能量密度的增大而线性增加，C2烃收率随着能量密度的增加呈峰形变化趋势。     

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在微波化学气相沉积装置上采用微波激发氢气甲烷体系等离子体,通过光学多道分析仪采集等离子的发射光谱.实验表明,甲烷在等离子体中的裂解产物主要以CH,CH-,C2基团的形式存在.这些基团的发射光谱强度主要受放电压强和放电功率的影响.随着微波功率的增加甲烷基团发射光谱强度呈增长的趋势;而随着放电压强的增加则是先增大,后减小.这些实验结果对于理解微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)中各种反应过程,调整薄膜制备工艺提供了参考.     

HL-1装置放电杂质的时间行为

HL-1装置放电期间,用SZ-001遥控四极质谱计观察到器壁的主要气体杂质是CH_4,CO,CO_2和H_2O,其时间行为呈多峰形;它们以不同暂态时间为其特征;其分压随等离子体电流的增大和孔栏半径的减小而增加,二次脉冲送气下尤其明显:其中CO主要产生在等离子体存在期,CH_4主要产生在放电熄灭期;连续送气下,送气侧与非送气侧杂质时间行为大约相差一个等离子体存在时间;连续用30000次Taylor法放电清洗后,仍观察到不锈钢活动孔栏上C,O杂质较多。     

电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积a-CFx薄膜的化学键结构

使用CHF₃和C₆H₆混合气体做气源,在一个电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积装置中制备了氟化非晶碳(a-CF_x)薄膜.利用发射光谱研究了等离子体中形成的各种碳氟、碳氢基团随放电宏观参量的变化规律,对薄膜做了傅里叶变换红外光谱和X射线光电子能谱分析,证实等离子体中的CF₂,CF和CH基团是控制薄膜生长、碳/氟成分比和化学键结构的主要前驱物 关键词： 氟化非晶碳薄膜 电子回旋共振等离子体     

基于第一性原理计算H_2S、CO_2、CH_4在Fe-MoS_2上的吸附性能

在高含硫气藏开发中,伴随着CH_4的采出,H_2S和CO_2也不可避免的被采出.这两种气体会产生管道腐蚀和气体中毒等诸多不利影响.为了解决这一现实需要,从研究较为广泛的MoS_2材料入手,考虑了其掺杂结构中的吸附性能的变化,相关计算原理基于密度泛函数理论.主要计算了一种吸附式掺杂过渡金属原子Fe在MoS_2上的结构,同时也计算了H_2S,CO_2,CH_4气体在其表面的吸附能,电荷转移,电子密度差等相关参数.结果表明,CH_4对这种材料表现出不敏感的特性,而CO_2、H_2S均表现出吸附的性质,预测这种材料可能作为一种可使用的吸附材料,或是开发作为一种新型的气体预警材料.     

远红外激光磁共振光谱技术及对含碳自由基分子的观测

本文报道国内建成的远红外激光磁共振 (FIRLMR)光谱仪的技术特点和工作原理。该谱仪采用CO2 激光横向泵浦远红外激光 ,样品吸收池置于远红外激光谐振腔内 ,由聚丙烯薄膜与远红外激光增益池隔开以获得很高的灵敏度 ,从而对寿命很短的自由基分子进行研究。利用该光谱仪在远红外波段测量得到了多个瞬态自由基分子CCH ,CF和CH2 的光谱 ,这些自由基分子由微波放电产生的氟原子与甲烷CH4 反应生成。     

微波液相放电乙醇制氢发射光谱研究

氢能作为一种高热值、无污染的清洁能源日渐受到国内外专家学者的追捧。微波液相放电技术在醇类中制氢具有光明的研究前景,为氢能的研究开发开辟了一条新的途径。通过对乙醇制氢发射光谱分析,有利于分析微波液相放电醇类制氢机理的探讨,为进一步改进微波液相放电制氢技术奠定基础。本文采用2.45 GHz频率微波在液相醇类中放电实现了微波液相等离子体制氢,并借助发射光谱仪对微波液相放电乙醇制氢光谱特性进行了研究。研究结果显示：微波液相放电乙醇制氢过程中,能产生大量的H,O,OH,CH,C₂等活性粒子;乙醇放电光谱中OH自由基、H自由基和O自由基的光谱强度要远大于纯水中OH自由基、H自由基和O自由基的光谱强度;高能粒子打开水分子中的O—H键,脱氢制氢的过程较乙醇分子难度要大,因此在微波乙醇放电制氢过程中,氢气的来源主要是乙醇分子的脱氢重组,水分解产氢的贡献度较低;在外界压力与温度一定的条件下,OH,H,O自由基的发射光谱强度随着功率的增加显著增强,而CH和C₂活性粒子发射光谱强度则出现减弱趋势,这表明较大的微波功率不仅使产生的高能粒子的能量增加,同时高能粒子的密度也有所增加,导致较多的CH和C₂基团被充分碰撞打开。     

常压辉光等离子体催化CH_4转化制C_2烃在线诊断研究

利用发射光谱原位技术对旋转电极辉光等离子体作用下CH4-H2转化反应进行诊断研究,在300~700 nm波长范围内检测到了C,CH,C2,H和H2等激发态物种的发射谱线。利用H原子发射光谱,通过Boltzmann图解法计算了等离子体的激发温度,该激发温度在6 300~6 600 K之间。同时由谱线展宽计算了电子密度,其数量级在1020m-3。     

激光诱发SiH4＋CH4等离子体的发射光谱

本工作采用光学发射谱方法测量了ＴＥＡ ＣＯ２脉冲激光辐射ＳｉＨ４＋ＣＨ４系统产生的等离子体反应过程中的发射谱特性，探测到了Ｓｉ，Ｓｉ＾＋，Ｓｉ＾２＋，Ｃ，Ｃ＾＋，Ｃ＾２＋，ＣＨ，ＳｉＨ，ＳｉＨ＾＋，Ｓｉ２和Ｈ的特征辐射，研究了含Ｃ，Ｓｉ碎片粒子光谱随实验条件的变化规律，并讨论了反应条件对ＯＥＳ的影响。     

预试环中H_2及掺杂甲烷的辉光放电清洗

本文给出了在预试环中产生和维持辉光放电的基本参数、氢气(H_2)及氢气掺杂甲烷(H_2/CH_4)辉光放电清洗过程中的质谱分析结果以及氢气辉光放电清洗处理后的样品表面SIMS(二次离子质谱)结果,并进行了讨论。     

AC等离子体辅助CH4低温氧化的分子激发作用

本文采用实验测量和数值模拟结合的方法,对AC放电下He/CH4/O2混合气中激发态对甲烷裂解和低温氧化的动力学贡献进行研究。基于HP-Mech,增加反应物的放电机理以及激发态参与的化学反应及其驰豫反应,建立CH4低温氧化机理。采用化学反应动力学求解器CHEMKIN中的两段式Plasma-PSR模型模拟放电过程及化学反应过程。该动力学模型能较好地预测反应物的消耗和主要产物的生成,反应路径分析表明激发态物质CH4(v),O2(v),O2(a^1△g)等通过链式反应CH4(v)+OH→CH3+H2O,O2(v)+H→OH+O,O2(a^1△g)+H→OH+O促进活性自由基和产物的生成。     

低变质煤-循环煤气微波共热解研究

低变质煤干馏热解生产兰炭、煤焦油、煤气被认为是其清洁高效转化利用的最佳途径。现有主流生产工艺普遍对原煤具有一定的粒度要求,煤焦油产量较低、质量不高,煤气中H₂,CH₄,CO等有效组分含量较低。为进一步提高低变质煤热解时煤焦油收率和质量,提出将微波热解低变质煤产生的煤气循环通入微波热解反应器中,进行低变质煤-循环煤气微波共热解。结合FTIR及GC-MS等对热解产品的分析表征,系统考察了微波功率、热解时间、煤样粒度对热解产品收率及组成的影响。研究结果表明： 低变质煤在循环煤气流量为0.4 L·min-1、微波功率为800 W、热解时间为40 min、煤样粒度为5～10 mm的工艺条件下热解,所得固体产品兰炭收率达62.2%,液体产品（煤焦油和热解水）收率达26.8%。不同微波功率及热解时间下所得兰炭红外谱线基本重合; 不同粒度煤样热解所得兰炭中—OH,CO, CC和C—O官能团含量差别较大。提高微波功率、延长热解时间、减小煤样粒度均有利于煤焦油的轻质化。     

低温等离子体活化转化煤层甲烷机理的光谱诊断

为了探究低温等离子体活化转化煤层甲烷的机理,采用自制的介质阻挡放电实验系统对体积组成为CH440%、O212%、N248%的模拟煤层甲烷进行等离子体活化转化。采用色谱分析方法对煤层甲烷介质阻挡放电稳定产物进行分析,结果表明低温等离子体活化煤层甲烷的主要产物为CH3OH、CO和CO_2。采用发射光谱原位诊断技术在200~700 nm波长范围内研究了放电气体的发射光谱,检测到O·、CH·、C·、Hα、N2(A3Σ+U)等激发态物种。基于发射光谱原位诊断和气相色谱分析结果,对煤层甲烷活化转化的自由基反应过程进行了推断。同时,明晰了反应气中N2对煤层甲烷活化和主要产物的生成具有促进作用,即N2产生了存活时间更长的亚稳态离子,该亚稳态离子将能量传递给反应气中的O2和CH4,进而加速了煤层甲烷的活化和稳定产物的生成。     

电荷调控下Ti3C2O2和V2CO2吸附CH4的第一性原理计算

本文采用第一性原理计算首先研究了Ti3C2O2和V2CO2与CH4气体分子之间的相互作用,发现Ti3C2O2和V2CO2对CH4的吸附较弱属于物理吸附,不适宜用作探测CH4。在此基础上研究了电荷调控下CH4气体分子与Ti3C2O2和V2CO2之间的相互作用。结果表明：随着体系电荷态的增加,Ti3C2O2和V2CO2对CH4气体分子的吸附作用逐渐增加变为化学吸附。当体系电荷态大于或等于-2时,CH4气体分子在Ti3C2O2和V2CO2表面可以被有效捕获。撤去电荷后,Ti3C2O2、V2CO2与CH4气体分子之间的吸附恢复至物理吸附,CH4气体分子易脱附。因此,通过调控Ti3C2O2和V2CO2的电荷态,可以简单地实现CH4的捕获与释放。Ti3C2O2和V2CO2有望成为CH4探测或捕获材料。     

CH4/H2和CH4/He体系等离子体发射光谱分析

 在CH₄/H₂和CH₄/He和CH₄/He两种系统中,利用光学发射谱技术对螺旋波放电产生低压甲烷等离子体内活性粒子的光学发射特征进行了原位诊断。在实验中,两种体系下同时都测得的主要荷电粒子为CH,Ha,Hb,Hg以及H2等。研究了各实验参数对这些活性粒子CH, Ha,Hb以及Hg的发射光谱强度的影响。结果表明：在CH₄/H₂体系下,随着射频功率的增大,Ha,Hb,Hg以及CH基团的相对强度都随着增加,而当放电气压变化时它们都呈现先增大而后减小的趋势。在CH₄/He体系下,随射频功率的增加,Ha,Hb,Hg以及CH相对强度变化的总体趋势也都是先增加而后减小,当工作气压增加时,Ha,Hb以及Hg的相对强度变化也是呈现先增大而后减小,但CH基团的相对强度却是逐渐减小的;这些结果为等离子体沉积各种薄膜过程的理解及制备工艺参数的调整提供了参考。     

常压等离子体作用下CO2氧化CH4转化反应的光谱分析

采用光谱原位诊断技术在200～900nm范围内采集并标识了不同CO2添加量时CH4等离子体光谱。确定了常压下不同CO2添加量时CH4等离子体的活性物种。CO2添加量不同活性物种谱峰相对强度变化趋势不同,O活性物种谱峰相对强度随CO2添加量增加迅速增加。C2活性物种谱峰相对强度随CO2添加量增加逐渐降低。反应体系产生的活性O对CH4转化反应产物具有明显影响,CO2添加量不同,CH4转化反应机理不同。当CO2添加量小于30%时,CH4转化以偶联反应为主。CO2添加量大于30%时,CH4转化以重整反应为主。     

Factors influencing stable isotope ratios in CH4 and CO2 within subenvironments of freshwater wetlands: implications for delta-signatures of emissions

Much uncertainty still exists regarding spatial and temporal variability of stable isotope ratios (13C/12C and D/H) in different CH4-emission sources. Such variability is especially prevalent in freshwater wetlands where a range of processes can influence stable isotope compositions, resulting in variations of up to approximately 50% for delta13C-CH4 and approximately 50% for deltaD-CH4 values. Within a temperate-zone bog and marsh situated in southwestern Ontario, Canada, gas bubbles in pond sediments exhibit only minor seasonal and spatial variation in delta13C-CH4, deltaD-CH4 and delta13C-CO2 values. In pond sediments, CO2 appears to be the main source of carbon during methanogenesis either directly via CO2 reduction or indirectly through dissimilation of autotrophic acetate. In contrast, CH4 production occurs primarily via acetate fermentation at shallow depths in peat soils adjacent to ponds at each wetland. At greater depths within soils, sigmaCO2 and H2O increasingly exert an influence on delta13C- and deltaD-CH4 values. Secondary alteration processes (e.g., methanotrophy or diffusive transport) are unlikely to be responsible for depth-related changes in stable isotope values of CH4. Recent models that attempt to predict deltaD-CH4 values in freshwater environments from D/H ratios in local precipitation do not adequately account for such changes with depth. Subenvironments (i.e., soil-forming and open water areas) in wetlands should be considered separately with respect to stable isotope signatures in CH4 emission models.     

页岩气中CH4-C2H6吸附-扩散分子动力学研究

本文采用巨正则蒙特卡洛(GCMC)和分子动力学(MD)模拟方法,对比分析了不同温度、压力和孔径对二元气体(CH4-C2H6)在K-伊利石中的吸附-扩散的影响.结果表明,在低压条件下,K-伊利石对C2H6的吸附能力大于CH4, C2H6优先吸附在K-伊利石孔隙表面.热力学因子随着孔径的增加而减小,C2H6的热力学因子大于...