河南大學程綱團隊Nano Energy：常溫常壓下機械能驅動摩擦電等離子體直接分解二氧化碳

引言：

化石燃料為現代社會提供了大量的能源，但其燃燒直接向大氣排放大量的溫室氣體，尤其是二氧化碳（CO₂），在世界范圍內造成了日益嚴重的環境危機。作為解決這個危機的重要途徑之一，分解或轉化CO₂為高附加值的化學品引起了人們的廣泛關注。目前，直接熱分解CO₂產生CO仍是CO₂轉化的主流方法。由于CO₂具有很強的熱力學穩定性，必須在2000 K以上的高溫下才能實現有效的熱分解。熱分解成本較高，且高溫加熱所消耗的能源大多來自化石燃料，往往造成更多的CO₂排放。因此，直接利用可再生能源將CO₂高效轉化為化工原料或燃料是實現CO₂綠色、可持續回收的理想策略。

機械能是一種綠色的、廉價的可再生能源，在自然界中廣泛存在。它有許多形式，包括風、潮汐、水力和海浪等。摩擦電納米發電機（TENG）能夠有效的收集周圍的環境中各種形式的機械能，并將其轉化為電能。TENG具有高壓輸出的特點，可以直接擊穿氣體，并產生等離子體。等離子體中的高能電子能與化學分子相互作用，形成高活性物種或直接破壞化學鍵。因此，等離子體在分解CO₂、N₂等高穩定性分子方面具有突出的技術優勢。然而，傳統的等離子體技術需要復雜的等離子體發生器和電氣控制系統。更重要的是，它不能直接由可再生能源驅動。TENG驅動的等離子體，被稱為摩擦電等離子體，由自然界廣泛分布且未有效利用的可再生機械能直接驅動。其是一種低成本、高效、簡單的等離子體產生系統。因此，利用可再生的機械能，通過摩擦電等離子體分解CO₂分子是非常具有前景的途徑。

成果簡介：

近期，河南大學特種功能材料教育部重點實驗室程綱教授課題組的研究成果“Triboelectric plasma decomposition of CO₂ at room temperature driven by mechanical energy”在國際著名刊物Nano Energy (IF=17.881, JCR一區)上發表。在本工作中，我們設計了一種機械能驅動的摩擦電等離子體，在常溫常壓下，實現CO₂直接分解為CO，選擇性接近100%。電子順磁共振譜表明，在摩擦電等離子體分解CO₂的過程中產生了高活性的CO₂^?陰離子。研究發現CO₂^?陰離子的分解勢壘比中性的CO₂分子分解勢壘低了3.7 eV，因此有效的提高CO₂分解的活性和能量效率。進一步通過調節針-板之間的距離和放電的極性，有效的降低摩擦電等離子體中的電子平均能量，促進高活性的CO₂^?陰離子的產生。在針-板間距d為1.5 mm，負電暈中CO₂分解為CO的速率為2.2 μmol h^?1，能量轉化效率為5.2%。最后，摩擦電等離子體在風速4.7 m s^?1的驅動下能顯著分解CO₂。這項工作為利用機械能將CO₂轉化為高附加值化學品提供了一種新穎、可持續和環境友好的策略。

圖1. 機械能驅動的摩擦電離子體還原CO₂系統。（a）實驗裝置圖，（b）摩擦電等離子體誘導CO₂分解機理圖，（c）摩擦電等離子體的電學曲線，（d）摩擦電等離子體分解CO₂的活性和電能到化學能的能量轉化效率。

圖2. 放電極性對CO₂分解過程的影響。（a）正、負電暈放電電壓曲線，（b）正、負電暈放電電流曲線，（c）正、負電暈下CO₂分解產物CO的生成速率，（d）正、負電暈分解CO₂的能源效率。

圖3. 摩擦電等離子體中CO₂衍生反應物種的檢測和理論計算。（a）負電暈下反應物種的電子順磁共振（EPR）譜，其中I為CO₂氣氛下負電暈放電EPR譜、II為模擬DMPO-OH的EPR譜、III為模擬DMPO-CO₂^?的EPR譜、IV為DMPO-OH和DMPO-CO₂的擬合EPR譜，（b）正電暈下反應物種的電子順磁共振（EPR）譜，其中i為CO₂氣氛下負電暈放電EPR譜、ii為模擬DMPO-OH的EPR譜，（c）CO₂和CO₂^?陰離子隨O=C=O鍵角變化的單點勢能曲線（PECs），其中星號表示勢能最低點，（d）CO₂和CO₂^?陰離子隨C-O鍵長變化的單點勢能曲線。

圖4. 摩擦電等離子體模擬結果。（a）負電暈放電下隨時間演化的電子密度分布圖，（b）負電暈放電下隨時間演化的電子平均能量分布圖，（c）正電暈放電下隨時間演化的電子密度分布圖，（d）正電暈放電下隨時間演化的電子平均能量分布圖，（e）負電暈和正電暈中三個代表性點的電子能量分布函數（EEDF）。

圖5. 摩擦電等離子體分解CO₂的兩種途徑。

文章鏈接：Triboelectric plasma decomposition of CO₂ at room temperature driven by mechanical energy

網址鏈接: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285521005425

本工作得到國家自然科學基金委、河南省科技廳、中國博士后科學基金會和河南大學的經費支持。

作者簡介

程綱，男，1978年生，博士，教授，博士生導師，國家優秀青年基金獲得者，河南省中原千人科技創新領軍人才，河南省高校創新團隊帶頭人，河南省科技創新杰出青年，河南省學術技術帶頭人。2003年起至今，在河南大學特種功能材料教育部重點實驗室工作，2013-2016年在佐治亞理工學院做訪問學者，從事納米結構與自驅動光電器件的研究。在ACS Nano、Adv. Mater.、Nano Energy、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Angew. Chem.、Appl. Phys. Lett.等期刊發表SCI論文60余篇。主持國家自然科學基金4項，獲得河南省科技進步二等獎2項。主要研究方向有：納米結構與光電器件，納米發電機，自驅動傳感器等。

Email: chenggang@henu.edu.cn

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