低温等离子体中粒子主要包括电子和正离子,与正离子相比,电子运动速度快,质量小,在材料表面易形成较强的电场。该电场主要有3种作用,首先,电子聚集在纳米材料周围,使纳米粒子之间相互排斥,避免了粒子的团聚,从而提高粒子分散性;其次,电子在催化剂表面形成较强电场,可以使纳米粒子在载体上以半球形存在,从而增强了金属与载体间的作用;最后,催化剂制备过程可以采用电正性和电负性两种载体,扩大了原料的使用范围。传统的热化学还原法,由于受表面自由能的影响,金属纳米粒子在长期高温下容易团聚,并分布在催化剂的外表面。在低温等离子体中,金属纳米粒子在催化剂内外表面的分散性主要受等离子体中电子与金属前驱体离子之间库仑力的影响。人们普遍认为,电子被吸附在正电性金属前驱离子的表面,使金属纳米粒子不迁移,电子和负电性金属前驱体离子发生库仑排斥作用,使金属纳米粒子从催化剂的内表面迁移到外表面。
1.2.1辉光放电等离子体
1.2.2电晕放电等离子体
1.2.3介电阻挡放电(DBD)等离子体
1.2.4射频放电(RF)等离子体
1.2.5微波等离子体
与传统的蒸汽甲烷重整制氢法相比,电化学水裂解制氢具有更好的可再生性和环境友好性。然而,与其他电化学反应类似,需要低成本、稳定、耐用的催化剂以提高反应效率和减少能源消耗。因此,各种过渡金属化合物如硫化钼、碳化钼、磷化钴等已被作为其催化剂的替代物。
低温等离子体是一种快速、简单、高效、环境友好的纳米材料制备与改性新技术,不仅可以得到传统方法不易获得的特殊结构的纳米催化剂,还可以通过制造材料的空位、表面的缺陷实现高性能的催化剂的改性。本文简单介绍了低温等离子体的发展历程和分类后,综述总结了近年来低温等离子体技术在ORR、OER、HER、FOR反应催化剂的合成、杂原子掺杂、缺陷和空位制造等方面的应用,为纳米催化剂的制备和性能改善提供了新的思路。
对低温等离子体技术制备与改性纳米催化剂,要充分发挥其优势,并改进存在的问题,实现技术创新发展,其未来的发展方向如下:1)单原子催化剂是目前的研究热点,也是未来催化剂的发展方向。利用低温等离子体辅助合成并改善单原子金属催化剂的性能,实现高负载量和和高稳定性的金属单原子催化剂是未来低温等离子体的一个重要发展方向;2)近年来,密度泛函理论(DFT)、机器学习等手段在材料设计、合成、模拟计算等方面有明显的进展,通过上述先进的计算和模拟手段筛选催化剂体系,辅助低温等离子体进行制备和改性,将高效提高催化剂的性能。相信在科研工作者的不断努力下,等离子体技术将发挥其特有的优势,不断扩大其应用领域。