CO₂回収と炭素媒介CO生成のためのKOH活性化カーボンフォームにおけるプラズマ–表面相互作用

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🔬研究者:プラズマ化学と材料科学の融合によるCO2変換の新知見。

抄録 CO₂回収と変換を単一の材料プラットフォーム内で統合することは、炭素利用技術におけるプロセス複雑性を低減する魅力的な経路を提供する。ここでは、KOH活性化炭素フォームを、CO₂を同時に吸着し、プラズマ支援CO生成のための反応性炭素表面を提供し、さらに直流コロナ反応器内で放電電極として機能し、炭素界面での直接的なプラズマ–固体接触を可能にする三重機能電極として調査する。KOH活性化炭素フォームは、系統的な活性化パラメータ空間にわたって調製され、フーリエ変換赤外分光法により、含酸素表面官能基の活性化温度および含浸比に対する非単調な依存性が明らかにされた。CO₂破過測定および気相質量分析により、材料依存的な捕捉およびCO変換挙動が確認され、4:1–750 °C条件が最も好ましい吸着量および輸送動力学を示した。光発光分光法（OES）と零次元プラズマ化学モデリングはそれぞれ単独では確立されているが、同一の放電条件下で電極表面化学のみがプラズマ断片化経路を改変する様子を調べるためのそれらの併用はほとんど注目されていない。このギャップに対処するため、OESが診断ツールとして用いられ、CN、CO、CO⁺、およびOH発光強度における条件依存的な変化が明らかにされた。自作の零次元プラズマ化学モデルは、発光スペクトルの主要な定性的特徴を再現し、調査した実験条件下で不均一Boudouard反応が速度論的に支配的なCO生成経路であることを特定した。すべての診断にわたり、CO生成はプラズマエネルギー律速ではなく表面反応律速であり、4:1–750 °C条件が一貫して最も生産的なプラズマ–表面相互作用領域を確立する。これらの知見は、電極表面化学がプラズマ駆動CO₂変換における能動的かつ調整可能な変数であることを実証する。

AI 翻訳（deepseek-v4-flash）。 正確を期す場合は下の原文を参照してください。

Abstract Integrating CO₂ capture and conversion within a single material platform offers an attractive route to reduce process complexity in carbon utilization technologies. Here, we investigate KOH-activated carbon foams as triple-functional electrodes that simultaneously adsorb CO₂, provide a reactive carbon surface for plasma-assisted CO formation, and serve as the discharge electrode in a DC corona reactor, enabling direct plasma–solid contact at the carbon interface. KOH-activated carbon foams were prepared across a systematic activation parameter space, with Fourier Transform Infrared Spectroscopy revealing a non-monotonic dependence of oxygen-containing surface functional groups on activation temperature and impregnation ratio. CO₂ breakthrough measurements and gas-phase mass spectrometry confirm material-dependent capture and CO conversion behavior, with the 4:1–750 °C condition exhibiting the most favorable uptake and transport kinetics. While Optical emission spectroscopy (OES) and zero-dimensional plasma chemistry modeling are individually well-established, their combined use to probe how electrode surface chemistry alone modifies plasma fragmentation pathways under otherwise identical discharge conditions has received little attention. Addressing this gap, OES is employed as a diagnostic tool, revealing condition-dependent shifts in CN, CO, CO⁺, and OH emission intensities. A custom-built zero-dimensional plasma chemistry model reproduces key qualitative features of the emission spectra and identifies the heterogeneous Boudouard reaction as the kinetically dominant CO production pathway under the experimental conditions examined. Across all diagnostics, CO formation is surface-reaction-limited rather than plasma-energy-limited, and the 4:1–750 °C condition consistently establishes the most productive plasma–surface interaction regime. These findings demonstrate that electrode surface chemistry is an active and tunable variable in plasma-driven CO₂ conversion.

• openalex https://doi.org/10.1007/s11090-026-10696-yfirst seen 2026-08-02 05:26:14 · last seen 2026-08-02 05:27:55