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。     

离子液体在甲烷等离子体转化中作用机理的光谱研究

在直流等离子体甲烷转化反应体系中分别引入C6MIMBF4,C6MIMCF3COO,C6MIMHSO4三种离子液体,采用光谱在线技术检测反应中活性物种的种类和光谱谱峰相对强度的变化,研究了离子液体在气液等离子体甲烷转化反应中的作用机理.结果表明:向甲烷等离子体体系中引入离子液体可得到稳定的气液界面,并提高了甲烷转化率和C2烃产物收率,C6MIMCF3COO和C6MIMBF4有助于提高C2烃选择性,而C6MIMHSO4则导致C2烃选择性下降.在气液等离子体甲烷放电体系中检测到了C,C2,C3,CH,H等活性物种的发射光谱,与未引入离子液体时相比大多数活性物种的谱线强度均有增加.核磁共振研究表明反应后离子液体C6MIMBF4结构稳定,可认为离子液体作为液体导电介质提高了等离子体放电强度,促进等离子体区气相反应过程,同时离子液体在气液表面反应过程起催化作用.     

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。     

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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。     

多尖端旋转电极辉光放电甲烷偶联研究

石油资源的日趋短缺使人们对世界大储量能源天然气的开发利用越来越重视。甲烷（CH4）是天然气的主要成份,由于CH4分子具有很高的稳定性,用CH4直接偶联制C2炔（乙烷,;乙烯,乙炔）在热力学上十分不利,采用常规催化手段一直未取得突破性进展^[1],而辉光放电等冷等离子体对于CH4偶联是一种非常有效的方法,近年来已成为物理化学跨学科前沿研究热点。在本研究领域中,利用脉冲电晕等离子体结合催化剂进行甲烷转化^[2],其等离子体在空间分布上是非连续的,活性较低,反应区较小,甲烷的转化率及C2烃收率必须是有限的;利用微波诱导甲烷在催化剂上转化制C2烃^[3],由于温度很高,能量密度太大,很容易使甲烷完全裂解,生成大量积碳,C2烃的收率也较低;利用介质阻挡放电使CH4偶联^[4],能耗太大,能量利用率很低。因此,冷等离子体CH4偶联实现工业化的课题就是要在提高CH4转化率及C2烃收率的同时降低能耗,以提高能量利用率。     

甲烷电离特性的等离子体发射光谱法研究

应用等离子体发射光谱法,用CCD（charge coupled device）光栅光谱仪记录并标识了脉冲电晕甲烷等离子体370～1 100 nm的发射光谱,确定了常温常压下高纯甲烷（99.99%）经100 kV, 100 Hz脉冲高压电离后的产物为H,C＋,CH,C,C2,C3, C4,C5和烃等。通过分析实验检测到的甲烷等离子体发射光谱,给出了甲烷经脉冲高压电离形成电晕等离子体的机理和自由基CHn（n=3,2,1）、碳、烃等产物的电离途径。结果显示甲烷分子经高能电子非弹性碰撞后脱氢程度很高,大量氢原子及其离子和甲烷自由基在进一步被高能电子作用下合成了烯烃、炔烃、烷烃和高聚碳化物。实验所获得的脉冲甲烷等离子体发射光谱及其机理分析可为甲烷及其转化研究提供相关依据。     

等离子体放电活化生理盐水杀菌应用研究

等离子体中含有多种活性物种可实现高效安全杀菌,活性物种与生物体相互作用多在水环境下进行.因此等离子体与水的相互作用过程研究掀起了等离子体生物杀菌的新浪潮.本文采用水中阵列放电产生等离子体活化生理盐水,利用所产生的活化生理盐水对大肠杆菌开展了杀菌消毒研究,当等离子体放电时间达到120 s时产生的活化生理盐水与大肠杆菌混合后可使大肠杆菌的存活效率降至0.001%.通过紫外-可见吸收光谱测量及化学氧化还原沉降滴定表明放电电荷及激发态氧化性活性物种与水溶液相互作用,转化为活化生理盐水中长寿命相对稳定存在的H_2O_2和O_3等氧化性物种,与大肠杆菌作用并主导主要杀菌效果.     

等离子体辅助氧化体系的分子束质谱诊断

等离子体助燃技术可以促进发动机在稀燃、低压和低温等极端条件下的点火和燃烧。全面探测燃料在等离子体作用下氧化过程的组分场对研究相关反应动力学机制有重要价值。本文设计搭建了结合介质阻挡放电反应器与光电离分子束质谱的实验平台,并对甲烷和乙烯在高压纳秒脉冲放电激励下的氧化过程进行了在线组分诊断.实验探测到离子、分子、自由基和激发态组分。对比文献中对类似等离子体辅助氧化体系的组分诊断结果,该诊断方法探测的组分更加全面。     

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。     

原位DRIFTS研究CH4部分氧化和CO2重整的耦合

8%Ru-5?/γ-Al2O3催化剂对于甲烷的低温活化具有较好的催化活性,在500℃下甲烷、二氧化碳和氧气的耦合反应中,吸热反应二氧化碳重整和放热反应甲烷部分氧化进行耦合强化,使得耦合反应中的甲烷转化率为38.8%。用原位漫反射傅里叶红外光谱法对钌系催化剂耦合甲烷部分氧化和二氧化碳重整反应体系机理进行研究。CO在8%Ru-5?/γ-Al2O3上吸附,表明CO在催化剂表面上波数为2 167 cm-1(2 118 cm-1)和2031 cm-1(2 034 cm-1)处形成孪生态Ru(CO)2和Ce(CO)2吸附物种,而且高温下CO吸附物种很容易从催化剂表面脱附出来。原位漫反射红外实验结果表明甲烷部分氧化反应时催化剂表面上有吸附物种碳酸根、甲酰基(甲酸盐)和一氧化碳的形成,其中表面的甲酰基和甲酸盐物种是甲烷部分氧化反应的主要活性中间物,这些中间活性中间体由甲烷吸附态CHx和催化剂表面的氧吸附态结合而形成的,随后这种中间物种再分解为CO产物;甲烷和二氧化碳重整反应时没有新的吸附物种产生,由此提出重整反应的机理是吸附态的甲烷和二氧化碳在催化剂活性中心上进行活化解离而生成合成气;甲烷、二氧化碳和氧气耦合反应过程中出现新的羟基物种(桥式羟基Ru-(OH)2),耦合反应机理复杂可能是由部分氧化和重整两类反应机理的复合,其中桥式羟基Ru-(OH)2参与了反应的进行。     

Methane Conversion in the Flowing Afterglow of a Dinitrogen Microwave Plasma: Initiation of the Reaction

The reaction of methane in the nitrogen afterglow is studied by combination of direct measurements and computer experiment. The experimental data were obtained by optical emission spectroscopy of the discharge, by gas chromatography of resulting stable products and by probe diagnostics of charged species in afterglow plasma. The simulation was based on a macroscopic kinetic approach covering 24 species and 61 reactions with input data given by the afterglow experiment. In the present stage of the modelling the initiation of methane conversion was studied. It was found that, contrary to active discharge, in the afterglow plasma the active neutral species (mainly excited dinitrogen molecules) are most important for the dissociation of methane into CH_x and H radicals.     

大气压非平衡等离子体甲烷干法重整零维数值模拟

大气压非平衡等离子体由于其独特的非平衡特性,可为甲烷和二氧化碳稳定温室气体分子活化和重整提供非热平衡和活化环境.本文采用了零维等离子体化学反应动力学模型,考虑了详细的CH₄/CO₂等离子体化学反应集,重点研究了反应气体CH₄/CO₂摩尔分数(5%—95%)对大气压非平衡等离子体甲烷干法重整制合成气和重要含氧化合物的影响.首先,给出了进料气体不同体积比时电子密度和温度随时间的演化规律,结果表明初始甲烷摩尔分数的提高有利于获得较高的电子密度和电子温度.随后,讨论了主要自由基和离子数密度在不同的甲烷摩尔分数下随着时间的变化规律,并给出了反应气体的转化率、合成气体和重要含氧化合物的选择性.此外,还明确了合成气和含氧化合物主要生成和损耗的化学反应路径,发现甲基和羟基是合成含氧化合物的关键中间体.最后,归纳总结给出了主要等离子体粒子之间的总体等离子体化学反应流程图.     

In situ high temperature MAS NMR study of the mechanisms of catalysis. Ethane aromatization on Zn-modified zeolite BEA

Ethane conversion into aromatic hydrocarbons over Zn-modified zeolite BEA has been analyzed by high-temperature MAS NMR spectroscopy. Information about intermediates (Zn-ethyl species) and reaction products (mainly toluene and methane), which were formed under the conditions of a batch reactor, was obtained by ¹³C MAS NMR. Kinetics of the reaction, which was monitored by ¹H MAS NMR in situ at the temperature of 573 K, provided information about the reaction mechanism. Simulation of the experimental kinetics within the frames of the possible kinetic schemes of the reaction demonstrates that a large amount of methane evolved under ethane aromatization arises from the stage of direct ethane hydrogenolysis.     

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。     

太阳能甲烷重整热化学互补发电系统性能研究

本研究搭建了太阳能热化学实验平台,依托室内太阳模拟平台,进行了2 kW太阳能甲烷重整反应器的实验研究,探究了反应温度、反应物流量等关键参数对系统性能(甲烷转化率、产物选择性)的影响,并基于燃气-蒸汽联合循环发电系统模型,模拟计算了太阳能热化学互补发电系统性能。结果表明,当反应器腔体的平均温度为880℃、甲烷流量为5.5 L·min^-1、水碳比为3:1时,甲烷的转化率为55.8%,太阳能净发电效率可达26.0%。