近日，上海交通大学环境科学与工程学院晏乃强教授团队与英国利物浦大学屠昕教授团队合作在ACS Catalysis在线发表了题为“Oxygen-Vacancy-Engineered Pd-WO3-x for Enhanced Plasma-Catalyzed CO2 Hydrogenation to CO”的研究成果。

逆水煤气变换（RWGS，利用H2将CO2转化为CO）反应是实现CO2转化利用的关键步骤。利用绿电驱动下的低温等离子体-催化或电催化还原来强化RWGS反应是当前备受关注的两种主要技术路径。与常规电催化技术相比，低温等离子体-催化反应不涉及液相界面过程（“干态”），有效避免了气-液-固传质阻力或因水分蒸发所造成的伴生焦耳热流失等不利因素的影响，在CO2转化方面更具应用开发潜力。本研究通过构筑具有丰富氧空位的Pd-WO3-x催化剂，并对等离子体催化反应器进行独特设计，显著增强了等离子体与催化剂的协同作用及能量利用率，实现了CO2低温高效转化，为高效等离子体-催化反应器的构建提供了新思路。

论文第一作者分别为我院2025届博士研究生程灿、英国利物浦大学博士后王耀霖，通讯作者依次为我院博士后王佳男、英国利物浦大学屠昕教授和我院晏乃强教授。第一作者及第一通讯单位均为上海交通大学。

文章内容：

介质阻挡放电（DBD）是最易与催化剂相结合的等离子体发生方式之一，为克服传统DBD反应器电极间距过窄以及催化剂颗粒充满对放电特性所造成的不利影响，研究在保留DBD反应器空间放电区的基础上，以高介电常数的泡沫镍网为载体（NF），在介质阻挡层内侧构筑一种氧空位工程的Pd-WO3-x催化剂覆盖层，用于增强等离子体催化CO2加氢作用。对比发现，当DBD反应器中的阻挡层内表面被覆盖一层NF后，其空间流注放电强度得到显著提升（反应器电极间距也可大幅度增大），但若覆盖介电常数较低的泡沫氧化铝层（AF）或氧化硅层（SF）时则对空间流注放电性能影响不大。同时，对于仅在阻挡层上覆盖NF层的反应器，其对CO2转化率也远比反应器中所有放电空间被NF材料填满时（无空间流注区）的效果好。此结果为催化剂载体材料选择及其在DBD反应器中的布置方式优化设计提供基础。

图 A 不同材料在等离子-催化反应器中对CO2加氢性能

实验结果表明NF上负载Pd-WO3-x的效果最好，当SEI为14.4 kJ/L时，CO2转化的能量利用率高达1.87 mol kWh-1，单位质量催化剂所对应的CO产率可达440 mmol·(g·h)-1，这两个关键参数远超已有的相关研究报道。同时，催化剂在DBD反应器中也保持良好的稳定性，在SEI为14.4 kJ/L时连续运行100小时后CO2的转化率仍保持在其初始值的90%以上。

催化剂的结构表征结果显示，Pd引入WO3-x后所形成的梭状结构和多面体，明显增强了活性位点的暴露。Pd能稳定WO3-x中的亚稳态氧空位，从而促进催化剂表面的电子传递及H2与CO2的解离。原位等离子体红外光谱可清晰地捕捉到CO的直接生成；离子体产生的振动激发态CO2分子，优先吸附在催化剂丰富的氧空位位点上，另一方面，界面处显著的电荷转移（从Pd纳米颗粒流向WO3-x载体）增强了CO2的吸附与活化，协同氧空位共同削弱了C=O键，从而显著降低了CO2直接解离为CO的能垒。这二者的协同，使得振动激发的CO2得以与Pd解离出的H原子高效结合，经由Eley-Rideal机制生成最终产物CO。

图B. 氧空位Pd-WO3−x/NF催化剂的合成与结构表征

结论与展望：

本研究通过将催化剂的氧空位构筑工程与等离子体催化反应器的独特设计相结合，成功在常温常压下实现了CO2的高效转化。Pd-WO3-x催化剂中，Pd纳米颗粒参与解离H2，而氧空位则优先活化等离子体激发的CO2。该体系可实现高达1.87 mol kWh-1的CO2能量转化效率，催化剂也展现出了优异的稳定性。同时，该研究为设计高性能等离子体催化系统提供了新的尝试，并为伴生焦耳热的后续再利用提供可能，从而有望推动可再生电力驱动的分布式CO2的电-热耦合转化技术发展。

作者介绍：

程灿，上海交通大学环境科学与工程学院2025届博士研究生，主要从事低温等离子体-催化转化CO2研究工作，在等离子体-催化反应器结构及关键催化材料的研究方面已取得较大进展。以第一作者身份在ACS Catalysis、ACS Sustainable Chemistry & Engineering、Science of the Total Environment等期刊发表SCI论文3篇。

晏乃强，上海交通大学环境科学与工程学院长聘教授，长期从事大气污染控制及能源与环境化工领域技术研究，是国内外早期开展等离子体-催化方面的研究人员之一。已在ES&T、Nature Communications等期刊发表论文200余篇，申请发明专利110余项。先后主持了国家自然科学基金重点项目，以及“863”计划、“973”计划和国家重点研发项目或课题等。作为第一完成人，获得了包括教育部技术发明一等奖在内的多项科技奖励。