曾杰团队Chem Catal: 突破热力学瓶颈！旋转电弧等离子体实现CO₂高效转化与利用

邃瞳科学云

2025-11-25

导读：本研究开发了一种无催化剂的磁旋转电弧驱动的SDRM过程。该技术构筑了一个独特的反应环境：在电弧核心区产生1900 K的局部超高温，高效激发反应；同时，气体在毫秒级内被急速冷却，形成快速降温的温度梯度。

物质科学

Physical science

2025年10月21日，中国科学技术大学曾杰讲席教授团队在Cell Press细胞出版社期刊Chem Catalysis上发表一篇题为“High-efficiency plasma reforming of CO₂-rich natural gas using rotating arc”的研究成果。研究组开发了一种无催化剂的磁旋转电弧驱动的SDRM过程。该技术构筑了一个独特的反应环境：在电弧核心区产生1900 K的局部超高温，高效激发反应；同时，气体在毫秒级内被急速冷却，形成快速降温的温度梯度。

▲长按识别二维码阅读论文

研究亮点

明确了传统热催化路径在驱动SDRM反应时面临的根本性挑战。通过系统的热力学分析，揭示了CH₄超干重整（SDRM）反应中热力学限制因素。SDRM本质上是CH₄干重整反应（DRM）与逆水煤气变换反应（RWGS）的串联，其CO₂利用率受RWGS平衡极限制约，致使CO₂利用率难以达到3.0 mol_CO2 mol_CH4^–1的理论值。
采用磁旋转电弧等离子体，在无催化剂条件下驱动SDRM反应。该技术构筑了一个独特的反应环境：在电弧核心区产生1900 K的局部高温，高效激发反应；同时，气体在毫秒级内被急速冷却，形成快速降温的温度梯度。这种“高温激活、急速淬冷”的协同机制，在促进反应正向进行的同时，有效冻结了产物、抑制了逆反应。此外，电场持续向反应体系输入能量，进一步推动反应正向进行，最终使系统突破传统气相热力学平衡限制，实现了CO₂转化率与利用率的同步显著提升。
为理解及优化等离子体驱动的SDRM过程提供了分子层面的解释。通过光学发射光谱原位诊断，成功检测到原子O、原子C和原子H等主要活性物种。结果表明，在CO₂和CH₄放电反应过程中，CO₂分解产生CO和活性氧物种，而CH₄逐步裂解生成碳氢自由基和C原子，并与氧活性物种快速反应生成CO。

研究简介

富含CO₂的天然气资源（如中国南海部分气田）由于热值低、CO₂分离能耗高，其高效利用一直面临重大挑战。CH₄超干重整（SDRM，CH₄ + 3CO₂ → 4CO + 2H₂O）反应将干重整（DRM，CH₄ + CO₂ → 2CO + 2H₂）与逆水煤气变换（RWGS，CO₂ + H₂ → CO + H₂O）反应结合，理论上每消耗1摩尔CH₄可转化3摩尔CO₂，其理论CO₂利用率高达3.0 mol_CO2 mol_CH4^–1，是富CO₂天然气直接利用的理想途径。然而，该反应受到热力学平衡限制，传统热催化过程难以同时实现高CO₂转化率（>50%）和高CO₂利用率（>2.0 mol_CO2 mol_CH4^–1）。针对这一挑战，本研究开发了一种无催化剂的磁旋转电弧驱动的SDRM过程。该技术构筑了一个独特的反应环境：在电弧核心区产生1900 K的局部超高温，高效激发反应；同时，气体在毫秒级内被急速冷却，形成快速降温的温度梯度。这种“高温激活、急速淬冷”的协同机制，在促进反应正向进行的同时，有效冻结了产物、抑制了逆反应。此外，电场持续向反应体系做功，进一步推动反应正向进行，使得系统最终突破传统气相热力学平衡限制。

如图1A所示，传统的单一过程难以同时获得高CO₂转化率（>50%）和高CO₂利用率（>2.0 mol_CO2 mol_CH4^–1）。这一挑战的根源在于SDRM过程的热力学限制。图1B和1C的热力学平衡计算表明，尽管DRM反应在高温下能近乎完全进行，但RWGS反应的平衡转化率随温度升高缓慢，即使在2000 K的高温下，CO₂的平衡转化率也仅有68%。这导致在SDRM反应中，RWGS步骤成为了限制CO₂彻底转化的“瓶颈”，使得系统即使在2000 K高温下，平衡组成中仍含有相当比例的H₂和CO₂（图1C）。图1D进一步系统性地展示了在不同CO₂/CH₄比例和温度下，CO₂利用率的热力学平衡上限。即使使用过量的CO₂促进反应正向进行，在CO₂/CH₄ = 7，温度为1200 K时，CO₂平衡利用率仅为2.3 mol_CO2 mol_CH4^–1。

为克服上述热力学限制，本研究设计了磁旋转电弧等离子体反应器。图2A展示了反应器的结构示意图，放电产生的电弧在洛伦兹力驱动下高速旋转，形成一个碟状的放电区域。有限元模拟的温度场分布显示（图2B和2C），反应区内存在1900 K的局部高温和快速降温的温度梯度场。如图2C所示，在放电截面上，气体温度在短短3.0 ms内从1900 K骤降至570 K。这种“高温激活、快速淬冷”的特性，一方面确保了反应物在电弧核心被高效活化和转化；另一方面，反应产物在离开核心区后被迅速冷却，能够抑制逆反应的发生。图2D的高速摄影照片直观地证明了电弧的旋转特性（310转/秒）。

图3A-D展示了在固定甲烷进气速率下，改变CO₂/CH₄比例对反应性能的影响。结果表明，在整个测试范围内，CH₄转化率均稳定在90%以上，且主要气相产物为CO和H₂，几乎不产生副产物烃类或积碳。在CO₂/CH₄比例为3至6的区间内，实验测得的CO₂转化率和利用率均超越了热力学平衡极限值（图3B和3C），直接证明了等离子体过程能够突破气相热力学平衡的限制。图3E考察了在最优比例（5/1）下，总流量对CO产率的影响。当流量提升至4000 mL min^–1时，CO产率高达731.0 μmol s^–1，对应的能量消耗仅为7.5 GJ tonCO^–1。基于此，图3F进行了技术经济分析，当电力价格低于0.06美元/千瓦时，该过程即具备经济可行性。

图4A和4B分别对比了纯CO₂放电以及CO₂/CH₄放电的发射光谱。在纯CO₂放电中，观测到了原子O、C以及C₂ Swan谱带的信号，证实了CO₂的解离。当加入CH₄后，光谱中出现了H_α线和CH特征峰，表明CH₄逐级裂解。基于这些观测，图4C总结了等离子体SDRM的可能反应路径：高能电子通过碰撞将能量转移给CO₂和CH₄分子，产生活泼的自由基、原子和激发态分子。这些高活性物种通过一系列快速反应最终生成CO和H₂O。关键在于，这些激发态物种的反应不再受限于基态分子的热力学平衡，从而实现传统热催化无法达到的性能。

结论

本研究分析了SDRM反应面临的热力学挑战，并指出该反应中CO₂利用率受限于RWGS反应的平衡极限。为此，我们提出了磁旋转电弧驱动的SDRM，该方法通过耦合局部高温、急速淬冷和电场做功，成功突破了此热力学瓶颈，为富CO₂天然气资源的直接转化开辟了新途径。

作者简介

曾杰

讲席教授

曾杰，安徽工业大学党委副书记、校长，中国科学技术大学讲席教授。1998年进入中国科学技术大学学习，2002年获应用化学学士学位，2008年获凝聚态物理博士学位，师从侯建国院士。2008年赴美，在美国圣路易斯华盛顿大学夏幼南教授研究团队工作。2012年，回到中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心任教授。2022年9月，受聘中国科学技术大学讲席教授，同年11月起任安徽工业大学党委常委、副校长。2025年1月，任安徽工业大学党委副书记、校长。入选国家杰出青年科学基金、英国皇家化学会会士（FRSC），担任国家重点研发计划首席科学家。研究领域为二氧化碳催化转化技术。迄今为止，已在《自然》、《自然·纳米技术》、《自然·催化》、《自然·能源》、《自然·材料》、《自然·合成》、《自然·可持续性》、《自然·化工》等高影响力学术期刊发表了290篇论文，SCI总被引用29000余次，H因子为91，入选2019至2024年的全球高被引科学家名录。申请中美专利共98项，出版书籍5部。荣获发展中国家科学院化学奖、中国青年科技奖“特别奖”、科学探索奖、德国Falling Walls科学突破奖、英国国际发明展年度国际发明“钻石奖”、中国化学会-赢创化学创新奖、侯德榜化工科学技术青年奖、中国材料研究学会科学技术奖一等奖、中国颗粒学会自然科学奖一等奖、中国科技产业化促进会科学技术一等奖、安徽省自然科学奖一等奖（两项）等奖项。研究成果入选国家“十三五”科技创新成就展、2022年中国十大科技进展新闻。