何为等离子体
当气体被施加足够高的电场能量时，电子从原子中“剥离”出来，形成由高能电子（1~10 eV）、离子、自由基、激发态分子和光子共存的电离气体——等离子体，物质的第四态。
低温等离子体的核心的特征是电子温度远高于重粒子（离子和中性原子）的温度，处于热力学非平衡态。宏观体系呈现低温状态，接近于常温，完全不会对催化剂造成热损伤。因此，低温等离子常被用于催化反应和催化剂的合成。
低温等离子体根据等离子体的发生方式不同可分为介质阻挡放电等离子体（DBD）、微波等离子体（MW）、射频等离子体（RF）、滑动弧等离子体（GA）及大气压辉光放电等离子体等[1,2]。
图1. 各种类型的低温等离子体示意图[2]
等离子体与催化反应
在传统热催化中，需要加热整个体系，让反应物分子获得足够的动能来跨越反应能垒。而在等离子体中，高能电子会直接与反应物分子碰撞，将其激发到高能态或者直接解离成自由基[3]。等离子体不仅能活化反应物，还能从根本上改变催化剂的性质[2]。
低温等离子体中富含的高能活性物种能够活化惰性气体分子（如CO₂、N₂、CH₄、H₂O）。导致某些热力学上难以进行的反应可以通过低温等离子体在温和的条件下进行，进而提高能量转化效率。利用催化剂与冷等离子体进行协同催化反应，将某些惰性气态分子直接转化为具有高附加值的化学品已经成为一种新型高效的催化模式[4~8]。目前，低温等离子体技术在催化反应领域中的应用主要有以下三个方面：（1）CO₂的转化[9,10]；（2）甲烷重整反应[11,12]；（3）合成氨反应[13,14]。
图2. 利用等离子体进行CO₂加氢制甲醇[8]
等离子体与催化剂合成
低温等离子体中处于激发态的高能活性物种可以在制备催化剂或催化剂后处理过程中发挥积极作用[2]。通常情况下，低温等离子体宏观温度接近于常温，这对于热稳定性差的催化剂的合成极其重要。当材料受到高能粒子轰击时，材料中原有化学键断裂并形成新的化学键，从而使具有较高能量势垒的反应容易在温和条件下发生。此外，在低温等离子体合成或处理催化剂的过程中无需外加化学药品，是一种绿色、环保的催化剂制备、修饰方法[15]。低温等离子体技术已被广泛应用于催化剂的还原和氧化[16-19]、有机配体及污染物的去除[20,21]、表面处理[22,23]及PECVD[24]等。
图3.冷等离子体的生成和表面功能化过程[25]
低温等离子体除了具有较高化学活性之外，还具有附带的热效应和光效应，这些都使得低温等离子体成为多能量场协同催化研究领域的新利器。低温等离子体打破了热力学对化学反应的限制，能够在温和条件下实现以前无法实现的转化；它为解决能源危机、环境问题提供了全新的思路。
