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摘要 大气压低温等离子体可在温和条件下进行CO2重整CH4反应，对环境保护和能源供应具有双重意义。介质阻挡放电（DBD）是进行该反应最常用的放电等离子体形式之一，但其工艺过程和反应性能受到反应器结构的显著影响。前期研究发现，分段电极DBD可以调节CO2重整CH4反应过程的反应物转化率、产物分布及能量效率，但是分段电极数量和相邻电极间距对上述性能参数的影响机理尚不清晰。因此，该文设计了具有不同电极数量和不同相邻电极间距的分段电极DBD反应器，并用于CO2重整CH4反应，从电学特性和温度特性的角度研究了不同实验条件下的放电特性，比较分析了对应条件下的CO2重整CH4反应性能。结果表明，分段电极的引入可以增加放电边缘数量以增强边缘效应，且增加分段电极数量和增加相邻电极间距均可延长反应物的有效停留时间，上述因素均有助于提高等离子体CO2重整CH4的反应性能。在施加电压11.0kV条件下采用4段外电极时可获得最高的CO2转化率（17.7%）和CH4转化率（29.5%），以及最大的CO选择性（36.0%）。而在2段电极结构中，当相邻电极间距为3 cm时，可获得最高的总反应物转化能量效率（0.334 mmol/kJ）。
关键词：分段电极介质阻挡放电 CO2重整CH4 电极数量 相邻电极间距
人类的交通运输、工业活动和农业生产向大气中排放了大量的二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4），所导致的地球气候变化已经严重影响了全人类的生存环境，研究人员试图通过减少温室气体排放或利用温室气体来解决气候变化问题。CO2和CH4是温室气体的主要成分，可以作为反应物反应生成各种高价值化学品和环境友好型能源[1-5]。CO2重整CH4，也被称为甲烷干重整（Dry Reforming of Methane, DRM，反应式见式（1）），可以在减少温室气体排放的同时生成以合成气（CO和H2）为主的产物，在能源供应和环境保护方面具有双重意义。
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式中，ΔH为反应的焓变。可见，DRM是一个强吸热反应，为了获得理想的转化效果，不可避免地需要高温输入。但高温输入条件下诱发的CH4分解反应和CO歧化反应将生成碳沉积，致使催化剂失活，限制了重整反应的进一步推广[6-7]。在这种情况下，低温等离子体由于其提供的高活性环境和特有的理化特性，可以诱导气相反应生成高附加值化学品，被认为是一种CO2重整CH4的新型有效方法[8]。
等离子体是带电粒子和中性粒子的结合体，包含大量的高能电子、自由基、激发态原子等高活性粒子。根据粒子温度可以将等离子体分为低温等离子体和热等离子体。低温等离子体中电子的温度远高于其他粒子，且电子质量小，被电场加速后携带能量高，与反应体系内的气体分子或原子碰撞，可以诱导热力学平衡条件下难以发生的反应在温和的环境下进行[9-15]。目前，常用于CO2重整CH4反应研究的放电等离子体形式主要为介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge, DBD）[16-18]、滑动弧放电[19]和电晕放电[20]等。其中，DBD是一种产生大气压低温等离子体的常见放电形式，因其结构简单、可拓展性强、放电稳定温和、易于进行规模化应用受到了研究人员的广泛关注[21-22]。DBD反应器通常由两个电极组成，其中至少一个电极被介质层覆盖，其电气特性和反应性能受到反应器结构和运行参数的显著影响[23-25]。对于DBD等离子体用于CO2重整CH4反应，国内外研究人员在DBD反应器结构和运行参数等方面进行了大量的研究工作。其中，反应器结构包括电极长度、放电间隙间距、电极形式、填充材料和介质材料的种类及厚度等；运行参数包括激励电源类型、放电功率、气体流速、进料摩尔比及惰性气体添加等[12, 26-29]。尽管研究人员通过改变反应器结构和运行参数在DBD等离子体CO2重整CH4方面取得了一定的成效，但是反应过程的反应物转化率和能量效率还不够理想。
为了优化DBD放电过程并提高CO2重整CH4的反应性能，研究人员在DBD电极结构设计中进行了各种尝试，发现将分段电极DBD用于CO2转化可以表现出良好的性能。Li Yang等使用间距相同的多段铝箔代替同轴DBD的高压电极进行CO2重整CH4实验后发现，多段铝箔电极可以有效地促进CO2重整CH4过程中液态烃类产物的生成[30]。Wang Baowei等发现，在同轴DBD反应器CO2分解反应过程引入分段电极可以增加微放电脉冲次数和降低电流脉冲幅值，以提高CO2转化率和能量效率[31-32]。但是上述研究大多针对反应效果开展，对反应过程的放电特性尤其是分段电极数量和相邻电极间距对放电特性的影响关注较少，对放电特性与反应性能之间关联关系的理解还不够深入，缺少用于指导分段电极DBD反应器CO2重整CH4反应过程优化和性能提升的数据。
鉴于此，本文采用分段电极DBD进行CO2重整CH4实验，通过改变分段电极数量和相邻电极间距，考察不同工况下CO2重整CH4过程放电特性和反应性能，深入分析放电特性和反应性能之间的关联关系。研究结果将为优化DBD CO2重整CH4系统设计、提升CO2重整CH4工艺反应性能提供有益参考。
本文采用的实验装置及测量系统如图1所示，包括DBD反应器、激励电源、供气系统、放电特性诊断和反应产物分析设备等。放电由高频交流电源驱动，其电压峰峰值和频率范围分别为0～30 kV和5～20 kHz，实验中分别固定电压峰峰值和频率为11 kV和10 kHz。反应气体CO2和CH4由压缩气瓶提供，采用质量流量计（北京七星，MFC，D07-19）控制和调节气体流速，气体总流量为50 mL/min，CO2和CH4摩尔比为1:1，流动方向如图1中箭头所示。
图1 实验装置及测量系统
Fig.1 Experimental device and measurement system
分段电极DBD反应器装置包括石英玻璃管介质层、多段不锈钢金属网接地电极和不锈钢金属棒高压电极。其中，石英玻璃管的内、外径分别为8 mm和10 mm，不锈钢棒的直径为4 mm，放电间隙为2 mm。外电极分为1、2、3和4段四种分段形式，每种形式电极总长度为120 mm，每段电极长度分别为120 mm、60 mm、40 mm和30 mm；在2段式结构中考察相邻电极间距对放电特性与反应性能的影响，相邻电极间距有1 cm、2 cm和3 cm共三种形式。不同外电极数量和不同相邻电极间距反应器结构示意图如图2所示。
图2 分段电极DBD反应器结构参数
Fig.2 Configuration of DBD reactor with segmented outer electrodes
1.2.1 放电特性分析方法
采用高压探头（Tek P6015A，分压比为1 000:1）和电流线圈（Pearson Electronics Inc，6585，电流比为1 A/V）分别测量DBD反应器两端的输入电压和总电流；采用差分探头（Pintech，N1070A，分压比为1 000:1）测量外接电容两端的电压，用于计算放电回路中的传输电荷等参数；采用四通道数字示波器（Tektronix，TDS2014B）记录保存上述电压、电流信号。电气特性主要通过分析电压、电流波形和Lissajous图形获得。基于电压、电流波形，使用Origin软件计量不同工况下的电流脉冲个数[33]；通过Lissajous图形计算放电功率以及电荷传输和转移特性，包括峰间电荷Qpk-pk、放电半周期产生的电荷Qd和传输电荷Qtrans，上述计算方法参考文献[34]。采用红外热像仪（Fotric 223s）测量DBD反应器的外电极表面温度，从热成像拍摄图像的颜色、亮度判断温度分布与均匀程度。
1.2.2 CO2重整CH4反应效果评价
本文中反应物与产物通过气相色谱仪（PANNA A60）进行检测分析，气相色谱仪配备有火焰离子化检测器和热导检测器，可以检测各类小分子物质如CO2、H2和O2等，以及CH4和C2～C4烃类化合物。反应性能评价指标主要有反应物转化率、产物产率、产物选择性、反应过程能量效率和碳平衡；此外，气体停留时间、比能量输入是衡量DBD等离子体CO2重整CH4的综合效率的重要指标，上述指标定义和计算方法详见文献[34-35]。
在固定放电总长度为12 cm、相邻电极间距为 1 cm、电压峰峰值和电源频率分别为11 kV和10 kHz、反应气体CO2和CH4的摩尔比为1:1的情况下，考察不同外电极数量下的DBD等离子体CO2重整CH4反应的电压、电流波形，如图3所示。可以看出，采用不同的外电极数量，在外加电压的正、负半周期均产生放电，电流波形由每个电压周期内分布不均匀的大量微放电脉冲组成，为典型的丝状放电模式。半周期内放电持续时间约为24 μs，不受外电极数量改变的影响。每半周期的首次电流脉冲均出现在电压过零点之后。随着外电极数量的增加，电压负半周期出现的反向电流脉冲幅值逐渐增强。在保持总电极长度为12 cm、外电极数量为2段、其他条件不变的情况下，将相邻电极间距由1 cm增加至3 cm，增幅为1 cm，得到的DBD等离子体CO2重整CH4过程的电压、电流波形和上述情况类似，半周期内放电持续同样约为24 μs，电压负半周期的电流脉冲幅值随相邻电极间距延长而增大。图4为不同外电极数量和不同相邻电极间距下，CO2/CH4 DBD的Lissajous图形，可以发现均呈现近似封闭的平行四边形。从图4a中可以看出，在保持外电极总长度不变的情况下，增加电极数量，Lissajous图形未发生明显变化，放电发生阶段和截止阶段几乎处于同一电压范围。从图4b中可以看出，固定外电极长度为12 cm和放电电极数量为2的条件下，增加电极间距的Lissajous图形基本形状保持不变，但其面积逐渐减小，说明增加相邻放电间距对放电模式的影响可忽略不计，但将降低放电功率。根据Lissajous图形计算放电功率可得到，电极数从1段增加到4段时，放电功率从23.5 W增加到24.7 W，增幅为5.1%；而相邻电极间距3 cm时的放电功率为22.1 W，相比相邻电极间距为1 cm时的23.9 W下降了7.5%。两种工况下对应的比能量输入变化如图5所示，当外电极数量从1段增加到4段，比能量输入从28.2 kJ/mol增加至29.7 kJ/mol，提高了5.3%；而增加电极间距则会降低比能量输入。因此，从能量输入的角度来看，增加外电极数量、减小相邻电极间距均有利于为反应提供更多的能量，促进反应进行。
图3 不同外电极数下，DBD等离子体CO2重整CH4的电压、电流波形
Fig.3 Voltage and current waveforms of CO2 reforming CH4 in DBD plasma under different external electrode numbers
图4 不同条件下的CO2重整CH4的Lissajous图形
Fig.4 The Lissajous patterns of CO2 reforming CH4 under different conditions
图5 不同条件下CO2重整CH4的比能量输入
Fig 5 Specific energy input under of CO2 reforming CH4 under different conditions
固定电压峰峰值为11 kV，根据Lissajous图形可得到不同条件下，CO2/CH4 DBD的电荷产生与传输转移特性如图6所示。由图6a可以观察到，峰间电荷Qpk-pk、放电半周期产生的电荷Qd和传输电荷Qtrans受外电极数量变化的影响较小，其中外电极数量为2段时，上述电荷产生与传输转移特性参数优于其他电极数量时的情况，故在外电极数量为2段的条件下改变相邻电极间距，进一步探究改变相邻电极间距对CO2重整CH4的电气特性的影响。图6b给出了外电极数量为2段时不同相邻电极间距下，DBD等离子体CO2重整CH4电荷产生与传输转移特性。很明显，反应器半周期传输电荷Qtrans、电荷峰峰值Qpk-pk和放电产生的电荷量Qd随相邻电极间距的增加而减少。例如，相邻外电极间距为1 cm时，半周期放电产生的电荷Qd为426.8 nC，传输电荷Qtrans为372.3 nC；相邻外电极间距增加至3 cm时，半周期放电产生的电荷Qd为372.4 nC，传输电荷Qtrans为321.7 nC，与相邻电极间距1 cm时相比分别减少了12.7%和13.6%。上述现象表明，减小相邻电极间距有利于提高电荷产生与传输转移特性，这主要是由于在相同的输入电压条件下，减小相邻电极间距可以提高放电功率，更多的能量被注入到等离子体反应体系，从而产生更多的高能电子及其他高活性粒子，增强电荷的产生和传输能力，提高放电区域的反应活性，促进DBD反应器系统中物理和化学反应的发生。
图6 不同条件下CO2重整CH4的电荷特性
Fig.6 The charge characteristics of CO2 reforming CH4 under different conditions
图7为其他参数条件不变的情况下，改变外电极数量和相邻电极间距时，DBD等离子体CO2重整CH4过程外电极表面温度随时间的变化曲线。无论是改变外电极数量还是相邻电极间距，放电前期的反应温度上升速度较快，随后温度上升速度减慢，最后达到稳定状态。随着外电极数量的增加，DBD反应器达到的稳态温度下降，如图7a所示，外电极数量从1段变为4段后，稳态温度从173℃下降到140℃。与此同时，实验还发现电极数量的增加使得反应器外电极表面温度分布更加均匀，不存在局部温度过高区域（如图8所示），这一特点将有利于反应长期稳定地运行。在不同相邻电极间距条件下，DBD等离子体CO2重整CH4的温度变化如图7b所示。由图7b可知，反应过程中温度上升速度与相邻电极间距呈负相关，反应达到的稳态温度随相邻电极间距的增加而略微降低，但其下降趋势随相邻电极间距的进一步增加而减缓。
图7 不同条件下的CO2重整CH4的温度
Fig.7 The temperature curves of CO2 reforming CH4 under different conditions
图8 不同外电极数量的CO2重整CH4的热成像图
Fig.8 Thermal images of CO2 reforming CH4 with different numbers of external electrodes
图9给出了不同外电极数量和不同相邻电极间距下，反应物CO2和CH4的转化率。可以看出，CH4的转化率始终高于CO2的转化率，这是因为CH4的解离能（4.5 eV）低于CO2的解离能（5.5 eV）[36]，CH4更容易受到激发并解离。图9a中，CO2和CH4的转化率都随外电极数量增加而呈现上升趋势。外电极为1段时，CH4转化率为25.1%，CO2转化率为11.8%；外电极增加至4段时，CH4转化率增长至29.5%，CO2转化率增长至17.7%，增幅分别达到17.5%和50%，表明增加分段电极对于提高反应物的转化率有明显效果。这主要是由于DBD电极的边缘存在边缘效应，产生电晕放电，增加分段电极数可使边缘效应增多，产生更多的边缘电晕放电，放电区域体积增大，可以提供更多的放电通道用于促进反应物转化[37]。另外，边缘电晕放电导致的放电区域体积增大可以延长反应物在放电区域的停留时间，同样能够促进CH4和CO2转化，在Wang Baowei等的研究中也得到了相似的现象和结论[31-32]。虽然电荷特性在外电极为2段时取得最佳，但是反应性能并没有在该工况下取得最佳，这可能是因为增加外电极数量造成的边缘效应增多和反应物停留时间延长对反应的促进作用大于电荷产生与传输转移性能降低带来的抑制作用。在保持外电极数量为2段时，不同相邻电极间距下反应物CO2和CH4的转化率如图9b所示。图9b中显示，随着相邻电极间距的增加，CH4和CO2的转化率呈现上升趋势。相邻电极间距为1 cm时，CH4转化率为25.4%，CO2转化率为14.9%；增加相邻电极间距至3 cm后，CH4转化率增加至26.4%，CO2转化率增加至17.4%，分别增加了3.9%和16.8%。增加相邻电极间距对反应过程造成的影响主要有以下两个方面：①增加相邻电极间距，扩展了边缘电晕放电区域，延长了反应物在放电区域的停留时间，提高了反应物与放电等离子产生的活性离子碰撞的概率，促进反应的进行[38]；②增加相邻电极间距降低了电荷产生与传输转移能力（见图6b），不利于放电区域物理和化学反应的进行[39]。从本文CO2和CH4转化率随相邻电极间距的变化趋势可以看出，反应气体停留时间延长对反应造成的促进作用大于电荷产生与传输转移能力降低对反应的负面作用，从而使得CO2和CH4转化率随相邻电极间距的增加呈现上升趋势。另外，从图5b中看出，增加相邻电极间距将降低比能量输入，由此也可推断转化率的提升与增加相邻电极间距使实际放电区域扩大引起的反应物停留时间延长有关[30]。
图9 不同条件下反应物CO2和CH4的转化率
Fig.9 The conversion of reactants CO2 and CH4 under different conditions
图10给出了在不同外电极数量和不同相邻电极间距下，主要产物H2和CO的产率和选择性。从图10a、图10b可以看出，CO的产率和选择性随外电极数量增加逐渐提高，H2的产率和选择性随着外电极数量的变化无明显变化规律。CO的产率和选择性在外电极数量为4段时取得最大值，分别为6.7%和36.0%，相比外电极数量为1段时的6.1%和31.0%分别增长了9.8%和16.1%。已有研究表明，在DBD反应器中CO2重整CH4的主要产物是H2和CO，其中H2主要来自CH4，如反应式（2）～式（6）所示[40]。
图10 不同条件下产物H2和CO的产率和选择性
Fig.10 The yield and selectivity of H2 and CO under different conditions
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CH4转化率随外电极数量的增加而增加，但H2的产率和选择性几乎没有变化，可能是由于在增加外电极数量后，氢原子在参与生成烃类化合物或含氧化合物的过程中被消耗了，下文将进一步讨论。CO2转化的主要产物是CO，见反应式（7）和式（8）。
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可以看出，CO产率随电极数量的增加呈现上升趋势，可能是由于增加电极数量延长了反应物分子的停留时间，提高了CO2分子与H原子或高能电子等粒子的碰撞概率，促进CO2转化生成更多的CO分子[38]。图10c、图10d给出了不同相邻电极间距下，产物H2和CO的产率和选择性。其中，H2产率均在4.5%左右，几乎不受相邻电极间距变化的影响；CO产率和选择性随相邻电极间距的增加均有小幅度上升。由此可见，不同于受外电极数量的作用效果，主要气体产物H2和CO的产率和选择性受相邻电极间距变化的影响较小。
除合成气（H2和CO）外，分段电极DBD反应器中还生成了一些烃类化合物。不同外电极数量和不同相邻电极间距下，烃类化合物的产率和选择性如图11所示。可以看到反应产物主要包含C2～C4烃类化合物，以其中的C2H6为主要产物。在DBD放电等离子体中，CH4转化的主要途径是通过电子碰撞诱导激发将CH4转化分解为H和CH3自由基（见反应式（2））。更高的烃类化合物由甲基自由基的偶联反应和电子碰撞诱导的反应生成[4, 36]，其主要反应见反应式（9）～式（13）。
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图11 不同条件下烃类化合物的产率和选择性
Fig.11 The yield and selectivity of hydrocarbons under different conditions
图11a、图11b给出了不同外电极数量下烃类化合物的产率和选择性，可以看出，外电极数量为1段时，烃类化合物的产率和选择性均为最大，其中占比最大的C2H6的产率和选择性分别达到了2.9%和15.7%；当增加外电极数量时，烃类化合物的产率和选择性出现先下降后基本维持不变的趋势。由此可以看出，H2产率随CH4转化率增加而减低并不是生成烃类化合物，更有可能是生成了含氧液态产物，见反应式（14）～式（17）。
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本文实验过程中发现电极数量增加时生成的液态产物明显增多，这也能证实上述现象。Li Yang等在研究DBD分段电极CO2重整CH4反应时也发现，采用分段电极后相邻电极间存在的边缘电晕放电使得活性基团或者反应中间体重组形成更复杂的产物，如乙酸和乙醇等[30]。在不同相邻电极间距下，烃类化合物的产率和选择性如图11c、图11d所示。可以看到，C2～C4产率几乎不受相邻电极间距的影响，以C2H6为例，其产率保持在2.8%左右，所有的烃类化合物产率总和也保持在3.8%左右。而选择性则随着相邻电极间距增加而增加，同样以C2H6为例，随着相邻电极间距从1 cm增加至3 cm，C2H6选择性从13.8%增长至15.5%，涨幅为12.3%。如前所述，当相邻电极间距增加时，由于反应气体停留时间延长的促进作用大于电荷产生与传输转移能力降低的负面作用，使得反应物转化率提升，更多CH4转化生成CH3自由基，CH3自由基自身复合生成C2H6，提高其选择性。但是，增加相邻电极间距，电荷产生和转移能力下降，可能会导致C2H6因电子碰撞反应而转化（见反应式（18）和式（19））的概率变小[4, 41-42]，因而其选择性提高。而对于其他烃类化合物，其产率和选择性本身较小，随相邻电极间距增加的变化并不明显。
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为了衡量转化CH4与CO2反应过程的实际效率，考察了在不同外电极数量和不同电极间距下的转化反应物能量效率和碳平衡，如图12所示。在转化反应物的能量效率方面，随着外电极数量增加，转化反应物的能量效率先增加后减小，外电极为2段时取得了最大的转化CO2和CH4的能量效率，分别为0.118 mmol/kJ和0.199 mmol/kJ，转化反应物的总能量效率为0.317 mmol/kJ。从图12b中可知，转化CO2和CH4的能量效率均随相邻电极间距的增加而增加，相比相邻电极间距为1 cm时，当相邻间距增长至3 cm时，转化反应物能量效率分别增长至0.121 mmol/kJ和0.213 mmol/kJ，涨幅分别为2.5%和7.0%。对于碳平衡，在本文不同的实验条件下，其值均小于100%，在92%附近变化。在等离子体反应后的金属内电极表面上可以观察到少量的积炭生成，同时在反应器尾部的介质管内壁有少量液态产物生成，是造成碳平衡小于100%的主要原因。由于本文生成的液态产物很少，未作定量分析。等离子体CO2重整CH4直接生成液态产物是目前的研究热点之一[4, 16]，后续将考虑在分段电极DBD中如何提高液态产物的产率和选择性。
图12 不同条件下，转化反应物的能量效率和碳平衡
Fig.12 The energy efficiency and carbon balance of conversion reactants under different conditions
本文考察了不同外电极结构对同轴DBD中CO2重整CH4过程的放电特性和反应性能的影响，对改变外电极数量和相邻电极间距后的电信号进行了测量和分析，并测试了不同外电极数量和相邻电极间距下CO2重整CH4的反应效果。主要结论如下：
1）在分段电极DBD中进行CO2重整CH4反应，增加外电极数量或延长电极间距对反应过程放电持续时间影响较小，但是会影响电极边缘效应，产生边缘电晕放电，从而扩大放电区域体积并影响电荷产生和传输能力。存在最佳的外电极数量（2段）使得反应体系具有最强的电荷产生和传输能力，而其随着相邻电极间距的增大而减弱。
2）使用分段电极时，反应器外部整体温度分布均匀，不存在局部高温区域，有利于反应长期稳定的进行。改变外电极数量和相邻电极间距，在电极边缘效应、反应物停留时间和电荷产生与传输能力的综合作用下，CO2和CH4转化率随着外电极数量和相邻电极间距的增加而提高。
3）增加外电极数量可以提高H2和CO的产率和选择性，但对其他产物产率和选择性的影响较小；而增加相邻电极间距可以提高C2H6的选择性，对H2、CO及其他烃类化合物的产率和选择性的影响较小。
4）在外电极数量为2段的条件下，增加相邻电极间距会导致放电功率和电荷传输与转移能力下降，但同时可以拓展实际放电区域，延长反应物实际停留时间，提高了反应物与等离子体放电产生的活性粒子碰撞概率，促进反应的高效进行，从而提高能量效率。
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Abstract CH4 reforming with CO2 is an effective way to convert the main two greenhouse gases (CO2 and CH4) into value-added chemicals. However, the traditional methods for this reaction have limitations in terms of operating conditions, reactant conversion and product selectivity, catalyst preparation and activity maintenance, due to its highly endothermic characteristics. Non-thermal plasma, as a novel molecule activation approach, has provided new routes for CH4 reforming with CO2. Dielectric barrier discharge (DBD) has attracted most attention for this process due to its simple structure, the potential plasma-catalysis synergy, and successful experience in industrial applications. The performance of this process is significantly affected by the reactor structure, and it has been demonstrated that using DBD with segmented electrodes is one approach to adjust the reactant conversion, product distribution and energy efficiency of this process, but the influence mechanism of the number of segmented electrodes and the distance between adjacent electrodes on the above performance parameters is still unclear. To deal with these issues, CH4 reforming with CO2 has been performed in DBD reactors with segmented electrodes. The discharge characteristics and the reaction performance are investigated in detail under different conditions (e.g., the number of segmented electrodes and the distance between adjacent electrodes).
The DBD reactors are self-designed with quartz tube, stainless-steel rod and mesh, which functions as the dielectric tube, high-voltage electrode and low-voltage electrode, respectively. The low-voltage electrode is grounded via a reference capacitor. In order to investigate their respective influences, the number of segmented electrodes is set as 1, 2, 3 and 4 when the total length of the low-voltage electrode is fixed at 120 mm; while the distance between adjacent electrodes is set as 10 mm, 20 mm, and 30 mm when the number of segmented electrodes is 2. A custom-built AC power source is used to drive the DBD reactors. The applied voltage, the total current and the voltage across the reference capacitor are respectively sampled by a Tektronix high-voltage probe, a Pearson current coil monitor and a Pintech differential probe, and saved using a Tektronix digital oscilloscope. The electrical characteristics are obtained by analyzing the voltage-current wave forms and the corresponding Lissajous figure. The temperature of the outer electrode is measured by a Fotric infrared thermometer. The discharge characteristics are discussed from the perspective of electrical characteristics and temperature characteristics. The reactants and gaseous products are analyzed by a Techcomp gas chromatography (GC). The reaction performance is evaluated by the parameters of reactant conversion, product yield and selectivity, and energy efficiency.
The following conclusions can be drawn: (1) Increasing the number of segmented electrodes or extending the distance between adjacent electrodes has little effect on the discharge duration time, but enhances the edge effect, which expands the discharge volume and shows obvious influence on the charge generation and transfer. There exists an optimum number of segmented electrodes that enables the DBD reactor to have the strongest capability of charge generation and transfer. (2) The outer surface of the DBD reactor shows the uniform temperature distribution when using the segmented electrodes, and no local high temperature areas are observed, which is beneficial to the long-term stability of reaction. With the combined effect of edge effect, residence time and charge generation and transfer ability, increasing the number of segmented electrodes or extending the distance between adjacent electrodes enhances the conversion of CO2 and CH4. (3) Increasing the number of segmented electrodes improves the yield and selectivity of H2 and CO, but has little effect on that of other products. While extending the distance between adjacent electrodes enhances the selectivity of C2H6, but has insignificant effect on that of H2, CO, and other hydrocarbons. (4) When the number of segmented electrodes is fixed at 2, extending the distance between adjacent electrodes decreases the discharge power and the capability of charge generation and transfer, but enlarges the discharge volume and increases the residence time of the reactant in the plasma reaction volume, which improve the possibility of collision between reactant molecules and reactive species, consequently promoting the plasma reaction and increasing the energy efficiency. The maximum total energy efficiency for converting reactants 0.334 mmol/kJ was obtained when the electrode spacing was 30 mm in the DBD reactor with 2 segmented external electrodes.
keywords：Dielectric barrier discharge with segmented electrode, CO2 reforming of CH4, electrode number, electrode spacing
DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.222391
中图分类号：TM614
国家自然科学基金面上项目（52177149）、江苏省六大人才高峰项目（TD-JNHB-006）和2023年江苏省研究生科研创新计划（KYCX23_1447）资助。
收稿日期 2022-12-29
改稿日期 2023-04-16
孙闵杰 男，1999年生，硕士研究生，研究方向为高电压与气体放电等离子体及其应用。E-mail：sunminjie2021@163.com
梅丹华 男，1985年生，副教授，硕士生导师，研究方向为大气压低温等离子体源设计开发与诊断、低温等离子体能源转化利用与环境污染治理等。E-mail：danhuam@126.com（通信作者）
（编辑 李冰）