Influence Mechanism of Filling Transition Metal Oxide Catalyst with Different Components on Nitrogen Fixation in Dielectric Barrier Discharge

doi:10.7503/cjcu20220278

Abstract

Abstract:

In order to promote the synergistic catalytic nitrogen fixation effect of dielectric barrier discharge（DBD）， the single， binary and ternary supported catalysts with different Mn/Co/W elements were prepared in this paper， and the catalysts were placed in the DBD air gap for plasma co-catalytic nitrogen fixation reaction. The catalysts were characterized by XRD， SEM and EDS. The concentration of total nitrogen in liquid phase was determined by ultraviolet spectrophotometry and the experimental results showed that the concentration of total nitrogen in the experimental group filled with catalyst was significantly increased compared with that in the untreated group. Fourier transform infrared spectroscopy（FTIR） was used to detect the gas-phase products of DBD with or without catalyst filling. It was proved that catalyst filling could promote the formation of NO₂ and N₂O₅ in space. DBD gas-phase chain reactions and the principle of catalysis revealed that the total nitrogen concentration was increased because the catalyst provided a mass of oxygen vacancies in the plasma coordination process， making NO _x fully oxidized. Multiple compound catalysts can further promote the nitrogen fixation effect through the transformation of metal element valence state and energy transfer on the basis of single type. The highest total nitrogen concentration of the ternary compound catalyst Mn₃WCo/γ-Al₂O₃ experimental group was obtained at the voltage of 22 kV， which was 119.13 mg/L. Compared with the maximum value of unfilled catalyst group， it increased by 71.61%.

Key words: Dielectric barrier discharge（DBD）, Low-temperature plasma nitrogen fixation, Plasma co-catalysis, Transition metal oxide catalyst

CLC Number:

O646.9

TrendMD:

LIU Kun, YIN Yuan, GENG Wenqiang, XIA Haotian, LI Hua. Influence Mechanism of Filling Transition Metal Oxide Catalyst with Different Components on Nitrogen Fixation in Dielectric Barrier Discharge[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(11): 20220278.

Figures/Tables 10

Table 1 Elements ratios in different three-way catalysts

Element	Mass fraction（molar fraction， %）
Element	Mn₃CoW/γ?Al₂O₃	MnCo₃W/γ?Al₂O₃	MnCoW₃/γ?Al₂O₃
O	34.34（44.13）	38.63（51.74）	34.21（61.06）
Al	43.05（44.90）	49.26（43.11）	45.28（29.51）
Mn	12.51（6.60）	2.36（1.06）	3.56（2.04）
Co	4.92（2.42）	6.50（2.72）	5.33（2.85）
W	5.17（1.95）	3.25（1.37）	11.62（4.54）

Table 2 Comparison of liquid NO x production rate and energy consumption with literatures

Plasma reactor	Power/W	Reactant	Yield/（mg·h^-1）	Energy consumption/（MJ·mol^-1）	Ref.
Pulsed bubble discharge	52.5	N₂/O₂/H₂O	63	189	［21］
Pulsed bubble discharge	52.3	Air/H₂O	29	403	［22］
Gas?jet assisted pulsed discharge	60	Air/H₂O	177	76.9	［23］
AC driven DBD	137.48	Air	208	33.27	This study
DBD packed MnCoW/γ?Al₂O₃	184.71	Air	357	26.05	This study

Table 3 Gas phase correlation reations

Entry	Reaction	Entry	Reaction
1	$e + O 2 → O + O + e$	17	$N O 2 + O + M → N O 3 + M$
2	$e + O 2 → O (1 D) + O + e$	18	$N O 2 + N O 3 + M → N 2 O 5 + M$
3	$e + N 2 → N + N + e$	19	$N 2 (A 3 ∑ u +) + O 2 → N 2 O + O$
4	$e + N 2 → N (2 D) + N + e$	20	$N + N O → N 2 O$
5	$e + N 2 → N 2 (A 3 ∑ u +) + e$	21	$N O 2 + N → N 2 O + O$
6	$e + O 2 + N 2 → O 2 - + N 2$	22	$N 2 O 5 → N O 2 + N O 3$
7	$e + O 2 + O 2 → O 2 - + O 2$	23	$N O 3 + O → N O 2 + O + O$
8	$O - + O 2 → O 2 - + O$	24	$O 3 + M * → O 2 + M ? O (a d s)$
9	$O - + O 3 → O 2 - + O 2$	25	$N + M * → M ? N (a d s)$
10	$O + O 2 + M → O 3 + M$	26	$N 2 * + M * → M ? N 2 * (a d s)$
11	$N + O 2 → N O + O$	27	$O 3 + M ? O (a d s) → O 2 + M ? O 2 (a d s)$
12	$N + O 3 → N O + O 2$	28	$M ? O 2 (a d s) → O 2 + M *$
13	$N O + O 3 → N O 2 + O 2$	29	$M ? O (a d s) + M ? N O (a d s) → M ? N O 2 (a d s) + M *$
14	$N O + O + M → N O 2 + M$	30	$M ? O (a d s) + M ? N O 2 (a d s) → M ? N O 3 (a d s) + M *$
15	$N O 2 + O → N O + O 2$	31	$M ? N O 2 (a d s) + M ? N O 3 (a d s) → M ? N 2 O 5 (a d s) + M *$
16	$N O 2 + O 3 → N O 3 + O 2$	32	$M ? N 2 O 5 (a d s) → N 2 O 5 + M *$

Table 3 Gas phase correlation reations

Entry	Reaction	Entry	Reaction
1	$e + O 2 → O + O + e$	17	$N O 2 + O + M → N O 3 + M$
2	$e + O 2 → O (1 D) + O + e$	18	$N O 2 + N O 3 + M → N 2 O 5 + M$
3	$e + N 2 → N + N + e$	19	$N 2 (A 3 ∑ u +) + O 2 → N 2 O + O$
4	$e + N 2 → N (2 D) + N + e$	20	$N + N O → N 2 O$
5	$e + N 2 → N 2 (A 3 ∑ u +) + e$	21	$N O 2 + N → N 2 O + O$
6	$e + O 2 + N 2 → O 2 - + N 2$	22	$N 2 O 5 → N O 2 + N O 3$
7	$e + O 2 + O 2 → O 2 - + O 2$	23	$N O 3 + O → N O 2 + O + O$
8	$O - + O 2 → O 2 - + O$	24	$O 3 + M * → O 2 + M ? O (a d s)$
9	$O - + O 3 → O 2 - + O 2$	25	$N + M * → M ? N (a d s)$
10	$O + O 2 + M → O 3 + M$	26	$N 2 * + M * → M ? N 2 * (a d s)$
11	$N + O 2 → N O + O$	27	$O 3 + M ? O (a d s) → O 2 + M ? O 2 (a d s)$
12	$N + O 3 → N O + O 2$	28	$M ? O 2 (a d s) → O 2 + M *$
13	$N O + O 3 → N O 2 + O 2$	29	$M ? O (a d s) + M ? N O (a d s) → M ? N O 2 (a d s) + M *$
14	$N O + O + M → N O 2 + M$	30	$M ? O (a d s) + M ? N O 2 (a d s) → M ? N O 3 (a d s) + M *$
15	$N O 2 + O → N O + O 2$	31	$M ? N O 2 (a d s) + M ? N O 3 (a d s) → M ? N 2 O 5 (a d s) + M *$
16	$N O 2 + O 3 → N O 3 + O 2$	32	$M ? N 2 O 5 (a d s) → N 2 O 5 + M *$

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