טכנולוגיות פלאסמה ב Catalysis

טכנולוגיות פלזמה הפכו לכוח טרנספורמטיבי בתחום הפסיכואנליזה, המציע מסלולים חדשניים הן לסנתזה והן הפעלה של זרזים. Catalysts הם הכרחי למגוון רחב של תהליכים תעשייתיים - מייצור כימי ונפט מסדיר ליישומים סביבתיים המרה ומהפכה אנרגיה.

הבנת פלאסמה: המדינה הרביעית של החומר

פלאסמה נקראת לעתים קרובות מצב החומר הרביעי, נבדל מ מוצקים, נוזלים וגזים.זה מורכב גז חלקי או מלא המכיל אלקטרונים חופשיים, מושגים חיוביים, אטומים נייטרליים, מינים תגובתיים כגון רדיקלים ומולקולות נרגשות.פלמס נוצרים על ידי יישום אנרגיה חשמלית - באופן זמני באמצעות זרם ישיר (DC), רדיו (RF), מיקרוגל או מכשול דיאלקטרי (D) יכול להגיע לטמפרטורות אלקטרואקטיביות יחסית.

סוגים של פלאסמה בשימוש ב Catalysis

כמה תצורה פלזמה מועסקת בסינתזה זרז והפעלה:

  • (FLT:0)Dielectric Barrier Discharge (DBD): ibph:1 , מפעיל פלזמה לא-thermal עם צפיפות אנרגיה מתונה.
  • (FLT:0)Radio ⁇ (RF) פלאסמה: ראטפל 1 (RalLT:1) בדרך כלל מונע ב-13.56 MHz, פלזמות RF מציעות יכולת שליטה גבוהה ומשמשות לסחיטה, תחריט ופירוק של זרזי פילים דקים.
  • (ב) ⁇ :0Microwave Plasma: FLT:1 יוצר פלזמות בעלות גבוהה בלחץ נמוך, מתאים לייצור חלקיקים וזרזים התומכים בפחמן.
  • (FLT:0)Gliding Arc Plasma: FIRLT:1) פריקה תרמית היברידית / לא-thermal המשלבת פעילות גבוהה עם טמפרטורות גז בינוני, שימושי עבור הפעלת זרז במערכות זורמות.
  • (FLT:0) לחץ אטמוספירי פלאסמה ג'ט (APPJ): איור 1:1 מאפשר טיפול מקומי על פני השטח של זרז ללא ציוד ריק, אידיאלי לעיבוד מתמשך.

כל סוג פלזמה מציע יתרונות ברורים בהתאם לנטורולוגיה הרצויה, חומר תמיכה ותנאי התגובה.היכולת לכוון פרמטרים פלזמה - כגון כוח, תדירות, הרכב גז וזמן החשיפה - מספק שליטה חסרת תקדים על תכונות זרז.

Plasma-Assisted Catalyst Synthesis

סינתזה של פלאסמה התפתחה כחלופה רב-תכליתית לא-התגורות קונבנציונלית, משקעים ושיטות גל סול-סולמה. בסינתזה פלזמה, המין האנרגטי בפלזמה מניע תגובות כימיות בטמפרטורות נמוכות יחסית, לעתים קרובות המאפשרות היווצרות של שלבים פעילים שהם metastable או קשה להשיג על ידי מסלולים תרמיים.

מכניזם של פלאסמה סינתזזה

במהלך סינתזה פלזמה, המנגנונים הבאים מתרחשים:

  1. (ב) ⁇ :0) , ⁇ של מקורות: ⁇ 1 (למשל, ניטראטים, כלורידים, או cetates) הם מפוצצים ומפורקים על ידי אלקטרונים אנרגטיים וקיצוניים.
  2. (FLT:0) ניכוי ונקייה: FIRLT:1 ; פלסמה ריאקטיבית או דלקת מפרקים אגזים להפחית את תפי מתכת בצורתם האלמנטלית, מה שמוביל לניקיון וצמיחה של חלקיקים.
  3. (FLT:0) ,התמיכה: 1FLT:1 אשכולות המתכת או אטומים מופקדים על פני השטח של התמיכה, לעתים קרובות יוצרים אינטראקציה חזקה של מתכת עקב ההפצצה האנרגטית.
  4. (FLT:0) Annealing andייצוב:FLT:1) טיפול בפלזמה יכול להסיר ligands או חמצון / להפחית את פני השטח כדי להשיג את מצב חמצון הרצוי.

ניתן להשלים את התהליך כולו תוך דקות ולא שעות, והעדר מעצורים נוזליים מקטין את הפסולת ומבטל את הצורך בייבוש וזריקת צעדים.

היתרונות של Plasma Synthesis על פני שיטות לאמנה

  • (FLT:0) טמפרטורות סינתזה של לוובר: תהליכי פלזמה רבים פועלים מתחת 200 מעלות צלזיוס, שמירה על מבנה התמיכה ומניעת שינויים לא רצויים.
  • (ב) זמנים קצרים יותר: תגובות פלאסמה 1:1 הן מהירות - לעתים קרובות 10-60 דקות - בהשוואה לשעות או ימים לשיטות תרמיות.
  • (FLT:0) שליטה על גודל חלקיקים ופיזור: FLT ( 1:1 פרמטרים פלזמה ניתן לכוון כדי להשיג חלקיקים אחידים של 1-10 nm עם התפלגות גודל צר.
  • (FLT:0) ,השימוש בחומרים מסוכנים: FIRLT:1 לא נגנים אורגניים, צמצום סוכנים או ייצוב נדרשים, מה שהופך את התהליך לירוק יותר.
  • (FLT:0) שיפור אינטראקציה תומכת במתכת: ההרחבה 1 (FLT:1) מינים אנרגטיים יכולים ליצור vacancies חמצן או קבוצות פונקציונליות על תמיכה, לעגן חלקיקים מתכת חזק יותר ומונעים חטא.
  • (ב) ניתן לשלב את פלזמות הלחץ האטמוספריים בכורים זורמים רצופים, מה שמאפשר את הסקאלה התעשייתית.

דוגמאות ל-Plasma-Syntheגודל Catalysts

Metal Catalysts

פלטינום, phenledium, וננו-חלקיקי זהב כבר מסונתז בהצלחה על סמך פלזמות RF ומיקרוגל.לדוגמה, Pt / ⁇ -Al2O3 זרזים שהוכנו על ידי פיזור גבוה יותר ופעילות עבור חמצון CO מאשר אלה שנעשו על ידי הפחתת H2 קונבנציונלי. בדומה, זרזי Pd / C ממופע פלזמה אטמוספירמטי מצוין תגובות מימן עקב הפצת אחידות.

Metal Catalysts

תחמוצות מתכת כגון Co3O4, NiO, ו MnO2 ניתן להפקיד על צינורות פחמן או גרפן באמצעות פלזמה-enhanced כימי vapor deposition (PECVD) חומרים אלה מבטיחים לתגובות אבולוציה חמצן (OER) בפיצול מים ו supercapacitors.

ביסקלי ואלוי Catalysts

טכניקות פלזמה מאפשרות את הלכידה של שני מתכות, להרכיב סגסוגת או חלקיקים הליבה-shell. לדוגמה, Pt-Ni bimetallic זרז מסונתז על ידי שילוב של sputtering מגנטין ו פלזמה להראות פעילות משופרת עבור חמצון methanol.הסביבת פלזמה מקדם ערבוב אינטימי של מתכות ברמה האטומית, אשר קשה להשיג באמצעות מוטציות.

ספורטאי יחיד

ההתקדמות האחרונה הוכיחו כי פלזמה יכולה לייצב אטומי מתכת בודדים על תמיכה.שימוש פלזמה דלת-טמפרטורה, אטומי פי מבודדים על פחמן דו-פעמי חנקן הופקו, מראה סלקטיביות יוצאת דופן בתגובה לירידה בחמצן.

מטבוליזם של Catalystsma Activation

מעבר לסנתזה, טכנולוגיות פלזמה משמשות יותר ויותר להפעיל זרזים - כלומר, כדי לשפר את הפעילות הפנימית שלהם, לשנות כימיה פני השטח, או regenerate deactivated זרז. Activation בדרך כלל כרוך חשיפת זרז טרום-פורזמה בתנאים מבוקרים, אשר יכול לנקות את פני השטח, ליצור אתרים תגובתיים, או לשנות את המבנה האלקטרוני.

כיצד פועל פלאסמה

כאשר זרז נחשף לפלסמה, מתרחשים כמה השפעות פיזיות וכימיקליות:

  • (ב) ⁇ :0) ניקוי פנים: 1FLT:1 מושגים אנרגטי וקיצוניים להסיר מודעות אוטמונים מעומקים, פקדות פחמן, או העברת שכבות, חשיפת אתרים פעילים טריים.
  • (FLT:0) של פגמים וvacancies: הפצצות פלאסמה 1:1 יכול לייצר vacancies חמצן, חסרונות משטח, או קצוות שלבים המשמשים אתרים פעילים ביותר עבור קטליזה.
  • (FLT:0 שינוי במצב חמצון: FevolveLT:1 , Reducing פלזמות (למשל, H2 או Ar) יכול להפחית באופן חלקי תחמוצת מתכת למצבים של חמצון נמוך יותר, אשר לעתים קרובות להציג פעילות קטליטית גבוהה יותר.
  • (FLT:0Functionalization: FLT:1 מטבוליזם או פלזמות חנקן יכולים להציג קבוצות פונקציונליות (כגון -OH, -COOH, -NH2) על זרז תומך, שיפור המודעות של מגיבים ו ביניים.
  • (FLT:0) חידוש של זרזים משועבדים: FIRLT:1 פלסמה חמצן יכול לשרוף את הפיקדונות קוקה מזרזים בילו בטמפרטורות נמוכות, לשחזר פעילות ללא לחץ תרמי גבוה של calcination אוויר.

היתרונות של מטבוליזם פלאסמה

  • (FLT:0) פעילות קטליטית מוכחת: FIRLT:1 זרזים המופעלים על ידי פלאסמה לעתים קרובות להראות 2-10 פעמים תדרי מחזור גבוהים יותר (TOF) בהשוואה לאלה שאינם מטופלים, בשל יצירת אתרי משטח פעילים יותר.
  • (FLT:0) Extended זרז תוחלת החיים: FIRLT:1 על ידי הסרת רעלים ויצירה מחדש של שלבים פעילים, טיפול פלזמה יכול להכפיל או משולש את החיים התפעוליים של זרזים יקרים.
  • (ב) טמפרטורות הפעלה:0)Lower:FLT:1 יכול להפעיל זרזים בטמפרטורות ממושכות או מעט גבוהות, הימנעות מחטאים תרמיים ושינויים בשלב.
  • (FLT:0) ידידות הדדית: FIRLT:1) הפעלת פלאסמה מבטלת את הצורך בהתחדשות כימית (למשל, מעצורים, חומצות) ומפחיתה את הפסולת.
  • (FLT:0) שיפור האלקטרוניקה המשוכלל: 1) תנאי פלזמה מותאמים אישית יכולים להרעיל באופן סלקטיבי או לחסום אתרי קטליטיים לא רצויים, מה שמוביל לסלקטיביות גבוהה יותר.

מחקרים: הגשמה פלאסמה בפרקטיקה

פלזמה-Activated Pd Catalyst עבור Methane Combustion

Pd / ⁇ -Al2O3 זרזים המשמשים לבעירה מתאן - חשוב עבור מנועי גז טבעיים - יכול להיות מופעל על ידי טיפול קצר (5 דקות) פלזמה חמצן פלזמה תהליך זה מסיר שאריות פחמן-יתר ומגדיל את השבריר של מינים Pd2+, אשר פעילים יותר מ- Pd0. זרז מופעל מראה עלייה של 40% בהמרות מתאן ב -400 מעלות צלזיוס בהשוואה לזרז הלא מטופל.

חידוש FCC Catalysts

סדקים קטליטיים פלוליטיים (FCC) זרזים מתאקדים בשל קידוד coke. התחדשות ארכיונית משתמשת בבעירה אווירית של זמן רב (>700 ° C), אשר יכול לפגוע במבנה הזאוליטי. לחלופין, פלזמה בלחץ אטמוספרי יכול להסיר coke ב -200-300 מעלות צלזיוס ללא השפעה על גבישי zeoliteity, ובכך להאריך את החיים ולהפחית צריכת אנרגיה.

הפעלת Catalysts מבוסס Ni-מבוסס עבור רפורמות יבשות של מתאן

רפורמה יבשה של מתאן (DRM) מייצרת סינגיה מ-CH4 ו- CO2, אך זרזי Nip סובלים מפיצוץ פחמן וחטא. Pre-טיפול עם פלזמה H2/Ar יוצר שלב מאוד מפוזר של ני ומדכאיל היווצרות פחמן. Plasma-activated Ni/Al2O3 הראו פעילות יציבה במשך יותר מ -100 שעות עם פחת מינימלי.

יישומים תעשייתיים של שיתוק פלאסמה-Enabled

השילוב של טכנולוגיות פלזמה עם תהליכים קטליטיים הוא מציאת יישומים על פני מגזרים מרובים, מהייצור הכימי להגנה סביבתית.שילוב של סינתזה פלזמה והפעלה מציעה מסלול לפעילות תעשייתית יעילה יותר, סלקטיבית וקיימא.

ייצור כימי

בתעשייה הכימית, זרזי פלזמה משמשים עבור מימן, חמצון, וסינתזה אמוניה. לדוגמה, Ru / C זרזs מוכן על ידי פלסמה מיקרוגל להציג פעילות גבוהה עבור סינתזה אמוניה בתנאים קלים (400 ° C, 1 atm), המציע אלטרנטיבה לתהליך האנרגס האנרגטי של אנרגיה, פלזמה קוגניציה נקט כבר בשימוש על ידי זרז זרז סחבתים, 000.

פסיכואנליזה סביבתית

טכנולוגיות פלזמה ממלאות תפקיד מרכזי בשליטה בזיהום.ממירים קטליטיים עבור מכונית תת-ממצה לאחר טיפול יכול להיות משודרג באמצעות הפעלת פלזמה כדי להפחית את הטמפרטורות הקלה עבור CO ו- NOx המרה. בשליטה על פליטה תעשייתית, פלזמה בגודל V2O5 / TO2 מראה ביצועים מעולים של DeNOx בהפחתה קטליטית סלקטיבית (SCR) בטמפרטורות נמוכות יותר, צמצום עלויות אנרגיה.

אנרגיה ותיקון

אלקטרוקטאליסיסטים לתאי דלק, אלקטרוליזה מים, סוללות ליהנות מאוד מסינזה פלזמה. פלטינום מבוססי זרז עבור תאי דלק פרוטון חילופי membrane (PEMFCs) מסונתז על ידי פלזמה sputtering הראו שיפור פעילות המונית בשל היווצרות של זרז גבוה-index פניות. עבור מים מפוצלים, פלזמה-מתוכמת חנק כפול (Red מתכות מעולה), פעילות מתכת (Red מתכות מעולה)

צילום: Photocatalysis

פלזמה יכול לשפר את החומרים photocatalytic כגון TiO2. על ידי הצגת חנקן או פחמן באמצעות טיפול פלזמה, פער הלהקה הוא צר, המאפשר פעילות גלויה אור. psma-synthe size TiO2 נtubes שימש לייצור מימן מן המים תחת תאורה סולארית, השגת יעילות דומה מערכות מוכנות על ידי annealing המסורתית.

אתגרים וכיוונים עתידיים

למרות ההבטחה, כמה אתגרים נותרו לפני ייצור זרז מבוסס פלזמה הופך נפוץ.אחד גדול ההוריד הוא ה-FLT:0 בקנה מידה מעבדה לכורים תעשייתיים (FLT:1 כיום, רוב מערכות פלזמה מטפלות בזוויות קטנות או אזורי משטח קטנים.פיתוח פלסמה רציפה, באמצעות פלסמה גבוהה שיכולה להתמודד עם כמויות בקנה מידה של קילוגרם הוא תחום פעיל של מחקר, בנוסף, ה-F2, אם כי הם אספקת ציוד פלסמה גבוהה (אונק).

אתגר נוסף הוא (FLT:0) מנגנוני התגובה של מנגנוני התגובה של מנגנוני התגובה הבין-מחדש 1 (FLT:0) והשיטפונות יוצרים מורכבות, לא-קלימטום, שקשה לדגום את החלבון המתקדם:2in situFLT 3 כלים אבחון - כגון אופטי פליטה אופטית חומרים כימיים (Ospeccy) וטכניקות עיצוביות-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-speccopys)

הוראות מחקר עתידי כוללות:

  • (FLT:0) תהליכים פלזמה-תרמיים: אנדרל 1 (Hybrid פלזמה: Integrated פלזמה עם חימום קונבנציונלי להשגת אפקטים סינרגיים.
  • (FLT:0)Plasma-catalysis for ההמרה ישירה של מולקולות אינרט:FLT:1 Activation of CO2, N2 ו- CH4 בתנאים קלים נשאר אתגר גדול; פלזמה עשויה לספק את קלט האנרגיה הדרוש.
  • (FLT:0) אופטימיזציה למידה של Machine: FLT:1 שימוש ב-AI כדי לחזות פרמטרים פלזמה אופטימליים עבור מטרות זרז ספציפיות, צמצום הניסוי וטרור.
  • (FLT:0) אינטגרציה עם אנרגיה מתחדשת: למערכות פלאסמה 1 המופעלות על ידי השמש או הרוח יכול לאפשר ייצור מבוזר של זרזים וכימיקלים.

מסקנה

טכנולוגיות פלזמה הוכיחו את הערך שלהם הן את הסינתזה והן הפעלה של זרזים, המציע יתרונות ברורים במונחים של צריכת אנרגיה מופחתת, זמני עיבוד קצרים יותר, ובקרת מדויקת על תכונות זרז.מהייצור של חלקיקים מתכת נתמך חלקיקים להתחדשות של זרז תעשייתי, שיטות פלזמה עוזר ליצור חומרים פעילים יותר, סלקטיבית, עמידים יותר, כמו מחקר ממשיך לטפל יכולת מדרגת והבנה mechanיסטית, הפך כלי ייצור ייחודי של פלסמה של אנרגיה מתחדשת של חומר כימי יציב יותר ויותר.

[ה] [ה]] [ה] [ה]] [ה]] [ה]] [ה]]] [ה]]] [ה]]] [ה]]]][ה]]]]] [ה]]] [ההה] [ה]]] [ה]] [ה]]]] [ה'[ה'[ה']']'[ה'[ה']']'[ה']']']'''[ה'']'[ה'[ה''[ה'[ה'[ה'[ה'[ה']']'[ה''''[ה'[ה']']'[ה'[ה']'[ה'[ה'[ה']']']']']']']'[ה']']']'[ה'[ה']']']']'[ה'[ה']']'[ה'[ה'[ה'[ה']'[ה']']'[ה'[ה']'['[ה''