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本研究利用同步辐射真空紫外光电离质谱技术，结合从头算等理论方法，深入探究了非热等离子体中甲苯的分解机理，并与结构相似的苯进行了系统比较。研究发现，甲基取代基的引入显著改变了芳香烃在等离子体中的活化分解途径，产生了大量新的反应通道和副产物。这项工作在分子水平上探索了分子结构差异对非热等离子体反应性能的影响机制（即分子结构差异导致的反应特性变化），为进一步理性设计高效非热等离子体催化剂提供了理论基础，将助力非热等离子体技术在能源转化和环境净化等领域的工业应用。
中文题目：非热等离子体中甲苯解离机理新探：与苯有何不同?
英文原题：
通讯作者：江 治，上海交通大学
谭 婷，国家纳米科学中心理论室
关键词：非热等离子体；甲苯分解；反应机理；同步辐射光电离质谱
背景介绍
非热等离子体(NTP)技术因具有高效、环保、能耗低等优点，在温室气体转化、氨合成、挥发性有机物(VOCs)去除等众多能源和环境领域受到广泛关注。然而，NTP体系往往涉及大量的基元反应和复杂的物种演化过程，阐明其内在机理对于理性优化NTP性能至关重要，但这对常规实验技术而言极具挑战。
同步辐射真空紫外光电离质谱(SVUV-PIMS)技术为研究NTP复杂反应机理提供了契机。得益于同步辐射光源优异的可调谐性，SVUV-PIMS可实现对反应体系中痕量活性中间体和同分异构体的高灵敏、定量、同位素分辨检测。与理论计算相结合，SVUV-PIMS有望揭示NTP反应网络中关键物种的演化规律，理解微观结构差异对整体反应性能的影响，为NTP技术的工业应用提供理论指导。
研究成果
甲苯与苯：分子结构的微妙差异如何影响NTP反应?
甲苯和苯是结构相似的化合物，但甲苯分子中的甲基使其在化学性质上与苯有所不同，这种分子结构的微妙差异会如何影响NTP反应呢？（图1）在本研究中，江治教授带领的研究团队利用SVUV-PIMS技术，详细比较了甲苯和苯在NTP分解过程中的差异。研究发现，在相同的NTP条件下，甲苯的分解速度显著快于苯，且分解产物的分布（种类，浓度）也有明显不同。
图 1 本研究的原理图
理论计算揭示甲基自由基对甲苯分解的调控作用
为深入理解实验结果背后的机理，谭婷教授团队开展了系统的量子化学计算。计算结果表明，甲苯分解过程中产生的甲基自由基是导致其与苯反应行为差异的关键因素。甲基自由基一方面参与反应改变了甲苯分子结构的稳定性;另一方面，它们还促进了邻苯醌等关键中间体的裂解，导致一系列与苯不同的新反应通道的生成。江治教授团队的热化学计算进一步验证了这些新反应通道的可行性。
基于实验测量和理论计算的结果，研究人员提出了甲苯在NTP中分解的关键机理步骤，包括甲苯与电子或活性基团的相互作用、芳香环的断裂、以及甲基自由基参与的多种反应通道等（图2）。这些发现从分子水平阐明了结构差异对NTP反应性能的调控机制，为理性设计高效NTP催化剂提供了新思路。
图2 甲苯的分解机理图
未来方向
未来，研究者将进一步系统探究更多复杂分子在NTP等外场作用下的转化规律，建立基于原位质谱和理论计算结合的NTP反应预测模型，为NTP技术在环境修复和能源转化等领域的应用提供理论支撑。
主要作者简介
江治 上海交通大学机械与动力工程学院燃烧与环境技术研究中心副教授，日本国立九州大学客座副教授，Materials Today Chemistry期刊副主编。2000年和2005年分别在中国科学技术大学化学物理系获得学士和博士学位，其间曾在香港理工大学联合培养。博士毕业后，先后在新泽西理工学院和普渡大学从事博士后研究。主要研究方向为能源与环境催化、燃烧化学。在ACS Catalysis、Combustion and Flame、Applied Catalysis B、Journal of Hazardous Materials等国际知名期刊上发表论文100余篇。
谭婷 国家纳米科学中心纳米理论与计算科学实验室研究员。2009年毕业于中国科学技术大学，获学士学位；2015年毕业于普林斯顿大学化学系，获博士学位。2016年至2018年在宾夕法尼亚大学从事博士后研究。2019年加入国家纳米科学中心理论室。主要从事催化化学与环境化学的理论与计算研究。
引用本文
Yuting Liang, Yingying Xue, Dongxu Fang et al., Reaction mechanism of toluene decomposition in non-thermal plasma: How does it compare with benzene? Fundamental Research, 4(5) (2024) 1100-1109.
原文链接（复制到浏览器中查看）：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667325822002023
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