氣體添加對水電極同軸介質阻擋放電直接分解CO2的影響

陳慧敏 段戈輝 梅丹華 劉詩筠 方 志

氣體添加對水電極同軸介質阻擋放電直接分解CO2的影響

陳慧敏 段戈輝 梅丹華 劉詩筠 方 志

（南京工業大學電氣工程與控制科學學院 南京 211816）

大氣壓低溫等離子體能夠打破熱力學平衡的限制，促使常規情況下難以發生的反應在溫和條件下進行。其中，介質阻擋放電（DBD）在CO2轉化利用領域受到了廣泛的關注，但是其性能受多種因素影響。該文采用水電極同軸介質阻擋放電反應裝置進行CO2直接分解反應，研究分析添加N2、Ar和He及其不同含量對反應過程放電特性及反應效果的影響。結果表明：相同反應條件下，在CO2氣氛中添加N2、Ar和He可以增加微放電通道數量，提高放電功率，降低擊穿電壓，使更多的能量用于活化反應體系分子，但三種氣體對放電過程的影響程度明顯不同；對比添加氣體N2、Ar和He，在CO2轉化效果上表現為Ar＞He＞N2，這主要是由于添加Ar后反應體系具有最高的電子碰撞激發反應速率，在Ar含量為80%時，CO2的轉化率最大為15.2%，CO的產率最大為9.3%；但是，上述氣體的添加會降低CO2的能量轉化效率，其中，N2添加下轉化CO2的能量效率下降最為明顯，由0.08mmol/kJ下降到0.02mmol/kJ。該文研究成果可以為低溫等離子體轉化CO2過程的優化提供有益參考。

水電極介質阻擋放電 CO2直接分解 氣體添加 放電特性 能量效率

0 引言

近年來，化石燃料能源的大規模開采利用和人類活動向大氣中排放了大量的CO2，導致溫室效應不斷累積，全球氣候不斷變暖，從而引發了一系列的環境問題，直接威脅到人類與動植物的健康[1]。CO2排放問題不僅涉及能源環境問題，更是上升到了關乎人類社會可持續發展的高度，解決CO2排放問題刻不容緩。

CO2資源化利用是將CO2變廢為寶，轉化為具有高附加值的化工產品，既能滿足社會日益增長的能源需求，又能從根本上實現CO2減排，符合綠色可持續發展的理念[2]。現有用于CO2資源化利用的常規方法主要有熱解法、光催化轉化法、電催化轉化法、光電還原法等。但是，由于CO2分子具有很強的熱力學和動力學穩定性，上述方法在運行條件、能量利用率、轉化率和選擇性、催化劑制備與活性保持、經濟成本、環境保護等方面存在局限性[3]。

近年來，大氣壓低溫等離子體技術的迅速發展為CO2高效資源化利用提供了新的思路和方法[4-8]。介質阻擋放電（Dielectric Barrier Discharge, DBD）作為一種產生大氣壓低溫等離子體的主要形式，具有反應器結構簡單、設計靈活、操作方便、放電穩定均勻、能夠激發活化通過反應器的全部氣體等特點，易于從實驗室用裝置升級為工業應用設備，已經在廢氣處理和臭氧合成等實際應用領域積累了豐富的成功經驗[9-14]，因而，受到了等離子體CO2轉化領域的廣泛關注，具有良好的應用前景。

針對DBD等離子體轉化CO2，國內外研究人員從反應過程放電特性、轉化效果和效率、反應機理和機制等角度開展了大量的研究工作，考察了DBD反應器結構、激勵電源類型及參數、運行條件參數、反應物成分及比例、添加填充材料或催化劑等因素對DBD轉化CO2過程，尤其是CO2轉化率和能量效率的影響[15-18]。近年來，研究人員發現將水電極DBD用于CO2轉化反應可表現出良好的性能。Zhou Amin等發現水電極DBD中CO2直接分解轉化率是普通DBD反應器的兩倍以上[19]。Wang Li等研究發現采用水電極DBD可以有效促進CO2轉化過程液態產物甲醇的生成[20]。為改善DBD放電特性并提高CO2轉化反應性能，研究人員在反應體系中添加He、Ar和N2等氣體，在提高CO2轉化率方面取得了一定的效果，但是氣體添加將消耗部分放電等離子體能量，進而降低過程能量效率，如何選擇添加氣體及其添加比例需要進一步研究。目前，關于水電極DBD反應器中添加氣體對CO2轉化過程放電特性及CO2轉化性能的研究相對偏少，缺乏指導用于CO2轉化的水電極DBD反應器優化和過程性能提升的數據。鑒于此，本文采用水電極DBD進行CO2直接分解反應，并向反應體系中添加不同濃度的N2、He和Ar，以考察添加氣體及其濃度對CO2直接分解過程電氣特性和反應性能的影響，研究結果將為優化DBD反應器及CO2轉化系統設計、提升CO2轉化反應性能提供有益參考。

1 實驗裝置與分析方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置及測量系統示意如圖1所示，包括反應器、激勵電源、供氣系統、放電特性診斷和反應產物分析設備等。采用交流電源作為驅動電源，電壓幅值和頻率范圍分別為0～30kV和0～20kHz，實驗過程中輸入電壓和頻率分別固定在18kV和10kHz。采用自行設計的水電極同軸DBD反應器，阻擋介質為石英玻璃管，其內、外徑分別為8mm和10mm；內電極為光滑的不銹鋼棒，不銹鋼棒直徑為4mm，長度為35cm，與驅動電源的高壓端相連接；循環水作為外電極，經外接電容后接地，循環水溫度由冰水混合物來控制，近似保持在0℃。采用紅外熱像儀（Fotric 223s）對放電間隙溫度進行測量，發現本文工況范圍內放電間隙氣體溫度在155～170℃之間變化。在進行純CO2直接分解的基礎上，添加N2、Ar和He三種氣體，各氣體由壓縮氣瓶提供，采用質量流量計（北京七星，MFC，D07—19）控制和調節氣體流量，分別調節上述氣體的含量在0～80%范圍內變化，控制氣體總流量為50mL/min。

圖1 實驗裝置及測量系統

采用高壓探頭（Tek P6015A，分壓比為1 000∶1）和電流線圈（Pearson Electronics Inc，6585）分別測量反應器輸入電壓和總電流；采用差分探頭（Pintech，N1070A，分壓比為1 000∶1）測量外接電容兩端的電壓，用于計算放電回路中傳輸電荷等參數；采用四通道數字示波器（Tektronix，TDS2014B）記錄保存上述電壓電流信號；采用數字式皂膜流量計測量反應后氣體總流量；采用氣相色譜儀（天美，GC7900）測量反應后氣體產物中各組分含量。

1.2 分析方法

1.2.1 電氣特性分析方法

電氣特性主要通過分析電壓電流波形和Lissajous圖形獲得。純CO2直接分解時的電壓電流波形如圖2所示。圖中，電壓()波形表現為近似光滑的正弦曲線，電流()波形表現為凸起的絲狀曲線，以多脈沖形式出現，對應于DBD放電過程微放電通道，電流脈沖的大小和數量可以用來分析放電強度。基于電流波形，可采用Origin軟件工具箱計量不同工況下電流脈沖個數來分析電流特性，具體過程見參考文獻[21]。

圖2 純CO2分解時電壓電流波形

典型的DBD Lissajous圖形如圖3所示，一般近似為平行四邊形[22-23]。

圖3中，邊DA和CB表示未放電的時間段，這兩條邊的斜率為未形成放電時DBD反應器的總電容cell，此電容值還可表示為

圖3 典型的DBD Lissajous圖形

式中，d和g分別為DBD反應器介質層和氣體間隙的電容值[23-24]。這兩個電容值理論上可以通過式（2）和式（3）計算得到[22-23]，即

式中，in、i、o和分別為內電極直徑、介質管內徑、外徑及放電長度，其中由水電極的長度決定，其值為6cm；0、d和g分別為真空介電常數、石英介質和反應氣體的相對介電常數，0=8.854×10-12F/m，d=3.70[22]。由于本文研究中反應氣體為混合氣體，其相對介電常數g未知，因而采用式（3）不能獲得氣體電容。本文由根據Lissajous圖形得到的cell值和由式（2）計算得到的d值，通過式（1）計算獲得g。在此基礎上，由式（4）進一步計算獲得擊穿電壓B，該值表示起始放電時氣隙的電壓值[24]，即

式中，min為放電起始的最小外加電壓，可從圖3的Lissajous圖形中獲得。基于Lissajous圖形，通過式（5）可計算放電功率為

式中，、、分別為輸入電壓的周期、頻率及Lissajous圖形的面積；()為時刻的電荷量。

1.2.2 CO2分解效果評價

CO2直接分解反應性能的評價指標主要有CO2轉化率（）、CO產率（）和能量效率（Energy Efficiency, EE），分別為

2 實驗結果

2.1 不同氣體添加工況下CO2分解過程電氣特性

不同氣體的添加明顯改變了CO2氣體DBD的放電特性。N2、He、Ar的添加比例為60%時的電壓電流波形如圖4所示。可以看出，在外加電壓的正負半周期均產生放電，電流波形呈現為大量微放電的脈沖形式，電流脈沖不均勻分布在每個電壓周期內。在輸入電壓的正負半周期內，電流脈沖出現較為明顯的不對稱性，這主要是由于不對稱電極造成的[25-26]。對比圖2所示的純CO2分解過程的電壓電流波形，上述氣體的添加顯著提高了電流脈沖的幅值、數量和持續時間，且不同的氣體表現出不同的影響。添加N2后電流脈沖的波動最大，出現少量峰值接近600mA的電流脈沖；添加He后電流脈沖的波動最為平緩，電流脈沖峰值在300mA以內；而添加Ar后電流脈沖的波動介于兩者之間。添加He和Ar后的電流脈沖的持續時間明顯高于添加N2的情況，例如，添加N2后正負半周期內電流脈沖的持續時間約為20μs和14μs，而添加He和Ar后持續時間則分別約為24μs和13μs、26μs和15μs。總體而言，添加不同氣體后電流脈沖幅值平均值由大到小的變化順序為Ar＞N2＞He。根據上述情況，結合已有研究發現，添加Ar后CO2直接分解體系具有最高的電子密度[23,27]，具體可參見本文后續結果分析與討論部分的半定量計算和分析。

為深入理解不同氣體成分對CO2分解過程電流特性的影響，不同氣體成分及其添加比例情況下CO2分解過程中每個周期內的電流脈沖數量如圖5所示。很明顯，添加N2、He和Ar可顯著增加電流脈沖數目。其中，添加N2后電流脈沖數目增幅最低，且受添加比例的影響最小，添加20%的N2時，電流脈沖數量提高42.0%，而N2添加比例提升至80%，電流脈沖數量增幅僅為14.1%；添加Ar后電流脈沖數目增幅最高，且受添加比例的影響也最大，僅添加20%的Ar，電流脈沖數目的增幅高達98.0%，進一步提升Ar添加比例至80%，電流脈沖數目增幅仍為44.4%；添加不同比例He對電流脈沖數目的影響介于兩者之間。上述電流脈沖數的變化表明，不同比例N2、He和Ar的添加將增加氣體間隙內的微放電通道，以利于CO2直接分解反應的進行。

圖5 不同添加氣體及比例對CO2分解過程每個周期內電流脈沖數量的影響

圖6所示為添加不同比例的N2、He和Ar所對應的Lissajous圖形。從圖中可以看出，當純CO2直接分解時，Lissajous圖形表現為邊長近似相等的平行四邊形，N2的添加及其添加比例變化對Lissajous圖形幾乎沒有影響；添加低濃度的He和Ar對Lissajous圖形的影響也不大，但是隨著這兩種氣體添加比例的提升，Lissajous圖形發生明顯的變化，由原來邊長近似相等的平行四邊形逐漸變化為扁平的平行四邊形，且添加比例越大，Lissajous圖形越扁。可以看出，添加不同比例的N2、He和Ar將直接影響CO2分解過程的放電功率和擊穿特性。

圖6 不同添加氣體對CO2分解過程Lissajous圖形的影響

利用Lissajous計算得到的添加不同氣體時的放電功率和擊穿電壓B如圖7所示。從圖中可以看出，隨著N2、He和Ar添加比例的增加，放電功率逐漸增加，但增加速率較為平緩，不同工況下放電功率均在31～38W之間變化；且添加不同氣體時放電功率的區別不明顯，在相同條件下，添加He和Ar時的放電功率略高于添加N2時的情況。添加這三種氣體均降低了CO2分解過程的擊穿電壓，且不同氣體及其添加比例對于擊穿電壓的影響表現出了明顯的區別，例如從未添加氣體到添加80%的N2，擊穿電壓下降幅度最低，僅為9.7%，而添加He和Ar則明顯降低了放電擊穿電壓，并以添加He時作用最為明顯，當He添加比例從0%變化為80%時，擊穿電壓下降幅度達50%。上述現象的產生主要從兩方面來考慮：①已有研究表明在特定的約化電場強度（/，為電場強度，為粒子數密度）和壓力條件下，純Ar、He和N2的湯森電離系數要高于純CO2的情況，這說明與純CO2相比，CO2/Ar、CO2/He和CO2/N2氣氛中單位長度能產生更多的電子，從而降低擊穿電壓[23,28]；②Ar、He、N2分子電子碰撞激發和電離的電子能量閾值分別為11.5eV和15.8eV、19.8eV和24.6eV、7.7eV和14.5eV，高于CO2分子對應的電子能量閾值6.2eV和13.8eV，這將降低混合氣氛中非彈性碰撞的概率，使更多的能量用于電子碰撞激發和解離CO2分子[23,28-29]。從圖7可以看出，隨著氣體添加比例的提高，放電功率表現出相似的緩慢增加趨勢，而擊穿電壓降低，尤其是當添加He和Ar時降低幅度非常明顯，這表明添加這三種氣體后更多的能量用于激發活化反應體系分子，而非擊穿氣體，這是添加氣體提高CO2轉化率的主要原因之一。M. Ramakers和M. A. Lindon等的研究也得到了相似的結論[23,30]。

圖7 不同添加氣體對CO2分解過程放電功率與擊穿電壓的影響

2.2 不同氣體添加工況下CO2分解性能

不同氣體添加工況對等離子體直接分解CO2過程中CO2轉化率的影響如圖8所示。從圖中可以看出，在進行純CO2直接分解時，CO2的轉化率為6.7%，當N2、He和Ar的添加比例為20%時，CO2轉化率分別為7.0%、7.2%和7.5%；隨著添加氣體比例的增加，CO2轉化率繼續上升，在添加氣體含量為80%時，CO2轉化率分別提高到7.3%、13.2%和15.2%；添加N2時CO2轉化率增幅最小，僅為9.2%，添加Ar時的增幅最大，為125.6%，而添加He時的增幅介于兩者之間，為96.0%。添加不同氣體成分對CO2直接分解主要產物CO產率的影響如圖9所示，圖中也表現出了類似的規律，當添加氣體比例從0%上升至80%時，添加N2、He和Ar的體系中CO產率的增幅分別為25.5%、57.4%和97.9%。

圖8 不同添加氣體對CO2轉化率的影響

圖9 不同添加氣體對CO產率的影響

不同氣體添加工況對等離子體直接分解CO2過程中能量效率的影響如圖10所示。從圖中可以看出，隨著氣體添加比例的增加，水電極同軸DBD轉化CO2的能量效率相應減少。其中，CO2/N2混合條件下轉化CO2的能量效率下降較為明顯，由0.08mmol/kJ下降到0.02mmol/kJ；CO2/He和CO2/Ar混合條件下轉化CO2的能量效率均由0.08mmol/kJ下降到0.03mmol/kJ。由電氣特性分析可知，在本文研究工況條件下，各工況放電功率差別不明顯，而隨著氣體添加比例的增加，一部分能量被用于激發活化N2、He或Ar以產生激發態、電離態等成分，雖然上述活性成分將促使CO2活化轉化，但未能彌補直接用于CO2分解能量的減少[23]，最終降低了被轉化的CO2的絕對數量，導致能量效率的降低。在后續研究中將進一步優化反應器結構和運行參數，并篩選出適用于水電極DBD環境進行CO2分解轉化的高性能催化劑，以期提高反應能量效率。

圖10 不同添加氣體對能量效率的影響

3 結果分析與討論

前期研究表明振動激發轉化是低溫等離子體中最節能高效的CO2轉化反應路徑，在電子能量為1～2eV的等離子體環境中，電子振動激發占整個CO2分解反應路徑的比例高達97%[31]。而DBD反應體系中電子平均能量較高（＞2eV），R. Aerts等通過零維等離子體化學反應動力學仿真發現，在DBD條件下CO2分解轉化是由電子碰撞激發基態CO2分子來實現的[32]，即

在典型的DBD約化電場強度/=200Td（Td為約化電場強度單位，1Td=1×10-17V·cm2）條件下[33]，采用開源軟件BOLSIG+[34]計算添加不同氣體時CO2分解體系的平均電子能量和電子碰撞激發反應速率常數，并結合實驗測得的電流波形，通過式（11）估算不同條件下的電子密度[23]，得到

式中，、、e和分別為電流密度、電場強度、電子遷移率和單位電荷。其中，電流密度由實驗獲得的半個周期內電流幅值平均值除以單個微放電截面積估算獲得，后者采用文獻值1.05×10-6m2[35]。實際放電過程中多個微放電細絲同時存在且相互作用，因此該方法只能半定量地粗略估算電子密度[23]，但這也足以分析不同添加氣體對CO2分解反應性能的影響。電場強度由/=200Td計算獲得；電子遷移率由BOLSIG+計算得到；單位電荷值為1.6×10-19C。

不同氣體添加工況對反應體系平均電子能量和和電子碰撞激發反應速率常數的影響如圖11所示。從圖中可以看出，不同添加氣體對平均電子能量的影響趨勢不同。當N2的添加比例從0%提高至80%時，平均電子能量下降了11.5%。Xu Shaojun等發現在填充床DBD分解CO2體系中添加N2后平均電子能量也有所下降[28]。而添加He和Ar則提高了體系平均電子能量，且添加He后平均電子能量提升最為明顯，為26.1%，這符合M. Ramakers等的研究結果趨勢[23]。可以發現，電子碰撞激發反應速率常數和平均電子能量隨不同氣體添加的變化趨勢是一致的，這主要是由于電子碰撞激發反應速率常數和電子能量直接相關[23]。

圖11 不同添加氣體對平均電子能量和電子激發反應速率常數的影響

不同氣體添加工況對反應體系平均電子密度和電子碰撞激發反應速率的影響如圖12所示。可以看出，當反應體系中添加N2和Ar時，提高添加氣體濃度將增加電子密度，且添加Ar時增幅最大，當其添加比例從0%提高至80%時，電子密度增加54.8%。而隨著He添加比例的提高，電子密度出現緩慢下降的趨勢，這一結果和M. Ramakers等的研究結果有所區別，在他們的研究中，He的添加比例為95%，此時，放電電流波形中電流脈沖的幅值很小，放電更接近均勻的模式，放電電流密度小，導致和純CO2的反應體系相比，電子密度明顯降低[23]。而本文的研究中He添加比例的變化范圍為0%～80%，雖然電流平均值隨著添加比例的提高略有降低，但仍然具有明顯的電流脈沖，且持續時間較長，表現為典型的絲狀放電。將電子密度與反應速率常數相乘即可獲得電子碰撞激發反應的速率[23]，如圖12b所示，從圖中可以看出電子碰撞激發反應速率隨添加氣體及其添加比例的變化趨勢與CO2轉化率的變化規律是一致的，即添加Ar時電子碰撞激發反應速率增幅最大，添加He時次之，而添加N2時增幅最小，這是三種添加氣體及其比例對CO2轉化過程反應物轉化率產生不同影響的主要原因。

圖12 不同添加氣體對電子密度和電子碰撞激發反應速率的影響

該反應的貢獻度隨著N2含量的增加而明顯提升[29]，且它可以作為反應氣體參與到化學反應中，本身解離后可以與體系中CO反應生成NCO，促使化學平衡向右移動，更有利于促進CO2的分解，這在其他文獻中也有報道[18,29]。當添加Ar時，體系中電離態成分（如Ar+）和CO2發生電荷交換反應，可直接解離CO2分子，或者先產生電離態CO2+，后者在電子碰撞反應下進一步解離為CO和O[23]，即

在添加He的反應體系中，同樣存在電荷交換反應，但是和Ar相比，He的電離能（24.6eV）高于前者（15.8eV），在相同的電壓和氣體成分條件下，反應體系中生成的電離態He成分（He+或者He2+）要少于添加Ar的情況[23]，因而，對于CO2分解轉化反應的貢獻度要低于Ar。綜合上述分析，添加這三種氣體對CO2分解轉化的貢獻度由大到小為Ar＞He＞N2。

4 結論

本文考察了不同氣體添加對水電極同軸DBD中CO2直接分解過程的電氣特性及反應效果的影響，對氣體添加后的電信號進行了測量和分析，并測試了不同氣體添加情況下CO2的分解反應效果。主要結論如下：

1）在水電極DBD直接分解CO2體系中添加N2、He和Ar將提高反應體系微放電通道數量，且隨著氣體添加比例的增加，提升效果更加明顯。此外，添加這三種氣體在緩慢增加放電功率的同時，降低了擊穿電壓，使更多的能量用于分解CO2，而非擊穿氣體。

2）添加Ar和He將增加平均電子能量和電子碰撞激發反應速率常數，且添加He時增幅更加明顯，但添加N2會降低上述兩個參數；反應體系電子密度則隨著添加N2和Ar比例的增加而提高，添加He使電子密度緩慢降低；結合反應速率常數和電子密度，發現電子碰撞激發反應速率均隨著添加比例的提高而增加，且增幅趨勢為Ar＞He＞N2。此外，反應體系中的N2、He、Ar的激發態、電離態等活性成分，增加了CO2分解轉化的反應途徑，進一步提高CO2轉化率和CO產率。三種氣體添加對轉化效果提升表現為不同的特點：當N2、He和Ar添加比例從0%增加至80%，CO2轉化率增幅分別為9.2%、96.0%和125.6%。

3）由于反應體系中氣體添加將消耗部分放電等離子體能量，生成可促進CO2分解轉化的活性成分，但并不能彌補直接用于CO2分解能量的減少，降低了反應過程的能量效率。本文研究中發現，在未添加氣體時獲得最大能量效率，為0.08mmol/kJ。優化反應器結構和運行參數、選用合適的高性能催化劑是后續提高反應過程能量效率的可行措施。

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Effect of Gas Addition on CO2Decomposition in a Coaxial Dielectric Barrier Discharge Reactor with Water Electrode

Chen Huimin Duan Gehui Mei Danhua Liu Shiyun Fang Zhi

（College of Electrical Engineering and Control Science Nanjing Tech University Nanjing 211816 China）

CO2conversion and utilization can convert the greenhouse gas into valuable fuels and chemicals, rather than regarding it as a waste. Due to the high stability of CO2molecules, the traditional methods for CO2conversion have limitations in terms of operating conditions, conversion and selectivity, catalyst preparation and activity maintenance. The rapid development of atmospheric pressure non-thermal plasma technology has provided new approaches for CO2conversion. Dielectric barrier discharge (DBD), as a main form of non-thermal plasma, has received extensive attention in the field of plasma CO2conversion. The performance of this process is affected by various factors, and it has been found that using the DBD reactor with water electrode and adding auxiliary gas (e.g., He, Ar and N2) can improve the reaction performance to a certain extent. However, the research on the discharge characteristics and the reaction performance of CO2conversion in a DBD reactor with water electrode and auxiliary gas addition is limited. It is still unclear how to optimize the reaction process and performance. To address these issues, the direct decomposition of CO2has been performed in a DBD reactor with water electrode. The auxiliary gases He, Ar and N2are added into reactant stream with different concentrations to evaluate their influence on electrical characteristics and reaction performance of direct CO2decomposition process.

The DBD reactor is self-designed using quartz tube and stainless-steel rod. A casing tube is formed with two quartz tubes and the water at 0℃ circulates inside the casing tube, acting as the low voltage electrode. The stainless-steel rod is set coaxially with the inner quartz tube and acts as the high voltage electrode. The low voltage electrode is grounded after connecting to a reference capacitor. The DBD reactor is powered by custom-built AC power source. A Tektronix high-voltage probe and a Pearson current coil monitor are used to collect the applied voltage and the total current, while a Pintech differential probe is used to sample the voltage across the reference capacitor. All of these signals have been saved using a Tektronix digital oscilloscope. A Techcomp gas chromatography (GC) is used to analyze the gaseous products. The electrical characteristics has been obtained by analyzing the voltage-current wave forms and the Lissajous figure. Based on the voltage-current wave forms, the number of current spikes and the electron density are determined. While the discharge power and the breakdown voltage are calculated according to the Lissajous figure. The open-source software BOLSIG+ has been used to determine the average electron energy and the rate constant for electron impact excitation. The reaction rate for electron impact excitation is obtained by the electron density and the rate constant. The reaction performance is evaluated by the parameters of CO2conversion, CO yield and energy efficiency.

The following conclusions can be drawn: ① adding He, Ar and N2increases the discharge channels, and this effect is enhanced by increasing the concentrations of these gases. In addition, adding these gases increases the discharge power while reducing the breakdown voltage, so that more energy is used for the excitation of the gas molecules. ② Adding Ar and He increases the average electron energy and rate constant for electron impact excitation, but adding N2reduces these two parameters. Meanwhile, adding N2and Ar increases the electron density, which was reduced by adding He. Combing the electron density and the rate constant, the reaction rate for electron impact excitation is increased by increasing the concentration of these auxiliary gases, and the increasing trend follows the order of Ar>He>N2. ③For the reaction performance, the effect of these auxiliary gases also follows the order of Ar>He>N2. The highest CO2conversion and CO yield is 15.2% and 9.3%, respectively, in the presence of 80% Ar. However, adding these gases reduces the process energy efficiency. Optimizing the reactor structure and operating parameters, and exploring a suitable high-performance catalyst are the feasible approaches to improve the process energy efficiency.

Dielectric barrier discharge with water electrode, direct decomposition of CO2, gas addition, electrical characteristics, energy efficiency

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211442

TM85

陳慧敏 女，1996年生，碩士研究生，研究方向為大氣壓低溫等離子體特性診斷及能源轉化應用。E-mail：CHM2021@njtech.edu.cn

梅丹華 男，1985年生，副教授，碩士生導師，研究方向為高電壓與氣體放電等離子體技術及其能源環境應用。E-mail：danhuam@126.com（通信作者）

國家自然科學基金（51807087，52177149）、江蘇省自然科學基金（BK20180705）、江蘇省“六大人才高峰”創新人才團隊項目（TD-JNHB-006）和電力設備電氣絕緣國家重點實驗室開放課題（EIPE19208）資助項目。

2021-09-09

2021-12-20

（編輯 李冰）