河南大学程纲团队Nano Energy：常温常压下机械能驱动摩擦电等离子体直接分解二氧化碳

引言：

化石燃料为现代社会提供了大量的能源，但其燃烧直接向大气排放大量的温室气体，尤其是二氧化碳（CO₂），在世界范围内造成了日益严重的环境危机。作为解决这个危机的重要途径之一，分解或转化CO₂为高附加值的化学品引起了人们的广泛关注。目前，直接热分解CO₂产生CO仍是CO₂转化的主流方法。由于CO₂具有很强的热力学稳定性，必须在2000 K以上的高温下才能实现有效的热分解。热分解成本较高，且高温加热所消耗的能源大多来自化石燃料，往往造成更多的CO₂排放。因此，直接利用可再生能源将CO₂高效转化为化工原料或燃料是实现CO₂绿色、可持续回收的理想策略。

机械能是一种绿色的、廉价的可再生能源，在自然界中广泛存在。它有许多形式，包括风、潮汐、水力和海浪等。摩擦电纳米发电机（TENG）能够有效的收集周围的环境中各种形式的机械能，并将其转化为电能。TENG具有高压输出的特点，可以直接击穿气体，并产生等离子体。等离子体中的高能电子能与化学分子相互作用，形成高活性物种或直接破坏化学键。因此，等离子体在分解CO₂、N₂等高稳定性分子方面具有突出的技术优势。然而，传统的等离子体技术需要复杂的等离子体发生器和电气控制系统。更重要的是，它不能直接由可再生能源驱动。TENG驱动的等离子体，被称为摩擦电等离子体，由自然界广泛分布且未有效利用的可再生机械能直接驱动。其是一种低成本、高效、简单的等离子体产生系统。因此，利用可再生的机械能，通过摩擦电等离子体分解CO₂分子是非常具有前景的途径。

成果简介：

近期，河南大学特种功能材料教育部重点实验室程纲教授课题组的研究成果“Triboelectric plasma decomposition of CO₂ at room temperature driven by mechanical energy”在国际著名刊物Nano Energy (IF=17.881, JCR一区)上发表。在本工作中，我们设计了一种机械能驱动的摩擦电等离子体，在常温常压下，实现CO₂直接分解为CO，选择性接近100%。电子顺磁共振谱表明，在摩擦电等离子体分解CO₂的过程中产生了高活性的CO₂⁻阴离子。研究发现CO₂⁻阴离子的分解势垒比中性的CO₂分子分解势垒低了3.7 eV，因此有效的提高CO₂分解的活性和能量效率。进一步通过调节针-板之间的距离和放电的极性，有效的降低摩擦电等离子体中的电子平均能量，促进高活性的CO₂⁻阴离子的产生。在针-板间距d为1.5 mm，负电晕中CO₂分解为CO的速率为2.2 μmol h⁻¹，能量转化效率为5.2%。最后，摩擦电等离子体在风速4.7 m s⁻¹的驱动下能显著分解CO₂。这项工作为利用机械能将CO₂转化为高附加值化学品提供了一种新颖、可持续和环境友好的策略。

图1. 机械能驱动的摩擦电离子体还原CO₂系统。（a）实验装置图，（b）摩擦电等离子体诱导CO₂分解机理图，（c）摩擦电等离子体的电学曲线，（d）摩擦电等离子体分解CO₂的活性和电能到化学能的能量转化效率。

图2. 放电极性对CO₂分解过程的影响。（a）正、负电晕放电电压曲线，（b）正、负电晕放电电流曲线，（c）正、负电晕下CO₂分解产物CO的生成速率，（d）正、负电晕分解CO₂的能源效率。

图3. 摩擦电等离子体中CO₂衍生反应物种的检测和理论计算。（a）负电晕下反应物种的电子顺磁共振（EPR）谱，其中I为CO₂气氛下负电晕放电EPR谱、II为模拟DMPO-OH的EPR谱、III为模拟DMPO-CO₂⁻的EPR谱、IV为DMPO-OH和DMPO-CO₂的拟合EPR谱，（b）正电晕下反应物种的电子顺磁共振（EPR）谱，其中i为CO₂气氛下负电晕放电EPR谱、ii为模拟DMPO-OH的EPR谱，（c）CO₂和CO₂⁻阴离子随O=C=O键角变化的单点势能曲线（PECs），其中星号表示势能最低点，（d）CO₂和CO₂⁻阴离子随C-O键长变化的单点势能曲线。

图4. 摩擦电等离子体模拟结果。（a）负电晕放电下随时间演化的电子密度分布图，（b）负电晕放电下随时间演化的电子平均能量分布图，（c）正电晕放电下随时间演化的电子密度分布图，（d）正电晕放电下随时间演化的电子平均能量分布图，（e）负电晕和正电晕中三个代表性点的电子能量分布函数（EEDF）。

图5. 摩擦电等离子体分解CO₂的两种途径。

文章链接：Triboelectric plasma decomposition of CO₂ at room temperature driven by mechanical energy

网址链接: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285521005425

本工作得到国家自然科学基金委、河南省科技厅、中国博士后科学基金会和河南大学的经费支持。

作者简介

程纲，男，1978年生，博士，教授，博士生导师，国家优秀青年基金获得者，河南省中原千人科技创新领军人才，河南省高校创新团队带头人，河南省科技创新杰出青年，河南省学术技术带头人。2003年起至今，在河南大学特种功能材料教育部重点实验室工作，2013-2016年在佐治亚理工学院做访问学者，从事纳米结构与自驱动光电器件的研究。在ACS Nano、Adv. Mater.、Nano Energy、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Angew. Chem.、Appl. Phys. Lett.等期刊发表SCI论文60余篇。主持国家自然科学基金4项，获得河南省科技进步二等奖2项。主要研究方向有：纳米结构与光电器件，纳米发电机，自驱动传感器等。

Email: chenggang@henu.edu.cn

本文由作者投稿。