在攻读在职申请硕士学位研究生期间，在导师的指导和科研合作单位研究人员的大力支持下，在天然色素应用研究方面取得了突出成果，为使着色力强、耐光耐热耐酸碱以及安全无毒的A类食品色素——辣椒红色素广泛应用于医药、食品与化妆品工业而设计了一种新型分离方法，达到了高品质除辣标准。此成果促成了抛弃中教一级教师铁饭碗去攻读博士的决心。

   在读博期间，主要从事导师指导的等离子体化学技术应用研究。在很短的时间里即以等离子体反应器与放电电极的创新性设计实现了本领域一向以尖端-平板电极难以实现的温室气体甲烷等离子体催化反应可以长时间连续放电的研究目标，并且反应物甲烷的转化率以及目标产物不饱和碳二烃的选择性和单程收率均大大提高，从而取得了突破本领域50多年研究瓶颈的重大科研成果。此项成果的可靠性经本校以及其他院校科研团队的后续研究，以稳定的实验数据重现而得到了验证。而且，本人还有将此应用技术作进一步工业放大的整套设计有待继续研究。

   2002年9月，以主持人身份申报了辽宁省教育厅A类项目：“旋转电极等离子体催化甲烷常压偶联中试放大研究”，获批2万元，学校配备2万元。但因获批的经费与申报的数额差距太大，远远不够完成项目结题目标“制造出中试设备”任务而未接受。

   2011年6月，以项目申报人与主持人身份组织了三所高校、两所中科院研究院所共五个单位的研究人员，以《等离子体技术快速处理二氧化碳系统研究》为课题名称申报了科技部的前沿技术研究项目，申报编号：SQ2011GX01D00390。

   此项目申报的主要内容简介:本项目面向有效应对全球气候变化严峻挑战，拟大规模处理二氧化碳和甲烷等温室气体。研究包括：自主研制风力补偿太阳能供电的等离子体反应设备，以降低等离子体设备运行成本；解决与目标应用等离子体反应设备相匹配的稳定高效的高压电源问题；以自主知识产权技术解决二氧化碳和甲烷等含碳温室气体等离子体反应积炭严重的关键技术难题；以自主知识产权技术自主研制常压等离子体甲烷偶联中试放大设备以及相似的等离子体技术快速处理二氧化碳还氧于大气的实用设备，拟在大量处理二氧化碳等温室气体而有效控制气候变化方面达到显著效果；用申请人最新突破的原子矩阵算法新解建立起等离子体反应定量研究理论体系，并为项目应用技术提供科学化保障。

   此项目申报的主要研究技术内容的国内外发展现状与趋势以及国内现有技术基础：

   目前，温室气体特别是二氧化碳的远远超标排放已经产生了严重的全球气候恶化，两极冰盖正在加快消融，20 世纪全球平均地表温度上升（0.74±0.18）℃，产生了诸如酷暑、严冬、大旱、大涝、暴风雪等极端天气以及海平面上升等严重威胁人类生存的一系列问题。

   美国航天航空局刊登在最新出版的《地球物理研究与大气》上的一项研究表明，如果污染物的排放按现在的增长速度继续下去的话，全球气温会上升1～2℃，但是如果二氧化碳的排放量不像现在这样快速增长，同时各国又终止排放对人类有害的大气污染物，那么，温度可能仅仅上升0.75℃。研究者认为，气候模型有力地证明，全球气候在过去半个世纪的变化主要就是由于二氧化碳和甲烷等温室气体所致气候变暖，最主要是由于二氧化碳的超大量排放。虽然温室气体甲烷的排放量不如二氧化碳大，但是甲烷的温室效应是二氧化碳的25 倍。温室气体可使短波辐射畅通无阻，但对长波辐射却有极强的吸收能力，即温室气体对热辐射有强烈的截留能力，会导致地球温度上升，产生温室效应。也就是说，超大量的二氧化碳等温室气体就像毛毯一样裹住地球，阻止地球向外进行热辐射，致使地球气温升高。

   科学家们估计，如果我们还想将全球气温上升控制在2℃内，那么从现在起还有10 年时间让人类控制二氧化碳排放量。美国发展中心（一个致力于推动美国联邦立法机构进行立法限制温室气体排放的非盈利性组织）的高级研究员约瑟夫•罗姆在他的博客中写道，“如果我们不以现有的技术为未来 25 年进行积极部署的话，到时候即便是集中了世界上所有的新技术都不能阻止灾难的发生”。气温上升3℃是地球的一个重大拐点，因为地球气温一旦上升3℃，那么就意味着全球变暖的趋势将彻底失控，人类再也无力介入地球气温的变化。

   科学家们在加拿大北极圈内发现了鳄鱼和乌龟的化石。这说明5500 万年前，这些动物曾经在加拿大北极圈内生活过。因此估计，一旦全球气温上升5～6℃时，绿色阔叶林将重现加拿大北极圈，而南极的腹地也会有类似的情景。然而，由于陆地大部分被淹没，动植物无法适应新的环境而有95%的种类灭绝，因此地球面临着一个与史前大灭绝一样的最后劫难。

   但是限制二氧化碳排放又与经济发展相矛盾，显然不可取。美国哥伦比亚大学地球研究所的首席经济学家杰佛瑞•萨克斯在《科学美国人》刊载的一篇文章中说：“如果我们只使用一些治标不治本的技术来试图限制二氧化碳排放，最终我们会扼杀经济增长，包括全球几十亿人口的发展愿景。”因此，全球急需寻求治标又治本的良策，即以快速消除二氧化碳等温室气体的方式保持碳氮氧生态平衡的良性循环经济发展模式。

   目前已有二氧化碳大量捕集技术，但还没有用二氧化碳快速分解制取氧气并还氧于大气的良策。近年来，一种将二氧化碳制成干冰后深埋于地下的环保技术（简称碳捕获与封存）正逐渐在欧美等国试用。2010 年1 月1 日，国际石油巨头英荷壳牌石油公司计划在荷兰巴伦德雷赫特市建一座地下二氧化碳填埋场，却引起了当地5 万民众的强力抵制。有专家称，该技术或许真的能为缓解全球气候变暖出一份力，但一旦发生泄漏，后果可能不堪设想。

   在此紧迫困境下，本项目申请的常压等离子体技术可以使二氧化碳分解，从而还氧于大气，副产物又可利用，这是有效解决气候问题的最有希望的高新技术。纵观国内外同类研究，常压等离子体二氧化碳分解制氧的关键技术难题是积炭严重而无法连续操作，而且此技术应用本身的较高能耗即运行成本高也是应该权衡利弊的大问题。而本项目具有自主知识产权技术可解决积炭问题，并且拟进行“风力补偿太阳能光伏供电系统下的等离子体技术快速处理二氧化碳还氧于大气的系统研究”可解决高能耗的高运行成本问题。因此，基于解决严峻的人类生存与发展问题的本项目恰好可以破解等离子体二氧化碳和甲烷快速转化中的这两项应用难题。

   活化甲烷这种天然储量最丰富又可再生但最具惰性的饱和烃是化学家梦寐以求的目标，也是后石油化工时代人类可持续发展战略目标。迄今已研究过的甲烷偶联化学催化剂达2000 多种，所涉及的元素几乎包括除了周期表中的零族以外的全部元素，但普遍发现在常压室温下不饱和碳二烃单程收率总低于25%，其原因是反应本身受动力学控制。分析表明，在传统催化技术领域只改进化学催化剂就想突破不饱和碳二烃收率25%的极限是很难的。上个世纪六十年代以来国内外许多研究表明，在非平衡等离子体产生的电场催化作用下，包含热量、质量和动量传递的许多物理和化学过程中，传递系数都有较大提高。而且发现，施加一定的电场可以显著影响反应的热力学平衡，甚至还会出现正常平衡倒置的现象。等离子体中的电场还可以使反应分子的化学键产生极化，使反应的活化能降低，从而影响反应的动力学特性，提高化学反应速度。多年来等离子体化学实验事实证明，等离子体催化对于无论多么稳定的化合物来说都是无坚不摧的，均可彻底使之分解为单质，只要给以合适的工艺条件。而本项目前期的相关专利成果正是在等离子体甲烷偶联工艺（也可用于二氧化碳处理）方面的国际前沿性突破。

   本项目放电等离子体催化甲烷偶联制备不饱和碳二烃是一种很有前途的可持续发展的材料能源利用新方法。等离子体催化技术工艺相对于常规化学催化来说更有利于节约能源、降低成本、安全操作和环境保护。但是半个多世纪以来，国内外等离子体甲烷偶联遇到的技术瓶颈主要是积炭严重，无法长时间连续操作（放电电极间很快就会因积炭生长出的炭丝相连而短路），甲烷转化率以及不饱和碳二烃的选择性和单程收率均很低，偶有甲烷转化率和不饱和碳二烃收率较高的报道也均为低气压下的成果，能量效率很低，距离实现产业化相去甚远。而二氧化碳和氮氧化合物的等离子体大规模快速转化研究成果至今未见报道。

   本项目前期研究已获自主知识产权的多尖端旋转电极具有平均电场效应，在一定条件下可实现常压CH4 丝状放电至似辉光等离子体，使常压下甲烷偶联在长时间反应积炭很少的可连续操作的状态下达到CH4 转化率及不饱和碳二烃单程收率最高均超过70%，不饱和碳二烃的选择性最高超过95%, 并且前期研究还获得了在线消积炭的等离子体常压甲烷偶联的配套便捷操作方法。本项目申请人以此技术进一步设想出常压等离子体二氧化碳大规模快速转化的拓展研究，而目前国内外二氧化碳同类研究一直围绕在与甲烷、氢气等合成化工产品方面，长期没有任何实用价值进展。相比之下，本项目研究思路完全不同，申请人以自己前期研究常压等离子体甲烷偶联长时间操作不积炭或积炭很少的技术进一步平均电场化，并拟实现同样的含碳工作气体二氧化碳的常压等离子体大规模快速转化还氧于大气的设想是完全可行的。

   最近，项目申请人还在等离子体技术基础理论研究中以数学推导方法发现了等离子体化学领域长期存在的反应机理假设不科学的大问题，对其违反质量守恒定律的严重错误找到了突破性的修正方法，从而在等离子体化学理论意义和等离子体技术应用指导意义上均有重大的突破性进展（对本项目的顺利完成有保障意义），目前在国内外本领域研究中尚未见他人报道。

   综上，本项目若得到国家计划项目资助，可望获得控制全球气候变化的立竿见影的效果以及等离子体技术的理论与应用系统研究成果。

   2011以来，深入研究了约束化学动力学反应机理的原子矩阵算法，取得了突破性进展。于2015年3月独立完成了《独立反应方程组的原子矩阵解》一书的编著工作。并于当年7月获得国家版权局颁发的著作权登记证书。之后，又获得国家版权局颁发的修订版《约束独立反应方程组的原子矩阵算法新解》一书的著作权登记证书。

1 Cui Jinhua, Xu Genhui, Han Sen. Eliminating coke formed in CH4 coupling under plasma via pure H2 discharge in the system. Acta Phys.-Chim. Sin., 2002, 18(3): 276-278. (SCI 收录)

2 Ren Longliang, Cui Jinhua*. Optical emission spectrum online diagnoses for CH4 +H2 discharge plasma system at atmospheric pressure. Chemistrymag.org/cji, 2004, 6 (6): 41-45

3 Cui Jin-hua, Xu Gen-hui, Liu Chang-jun.Novel Plasma Reactor with Rotary Multi-tip Electrodes…

现已独立完成《约束独立反应方程组的原子矩阵算法新解》一书的编著工作并已获得国家版权局颁发的的著作权登记证书，尚未出版。

《等离子体技术与应用》，北京，化学工业出版社，2006，该书封面核心图片显示的是本人博士论文中作为实际发明人的具有重大突破性科研成果的常压甲烷与氢气等离子体放电实照，本人博士论文的主要相关章节也被选编入该书（但其中有文字概念错误表述，均为该书编著人员所为…

1

多尖端的多个圆盘旋转电极的等离子体放电反应器，专利号：ZL2002100881.7, 第二发明人(实际发明人)。专利权人：天津大学。

2

具有旋转螺旋状电极的大气压辉光放电等离子体反应器，专利号：ZL200510046045.3，第二发明人（主要制做人）。专利权人：大连理工大学。

3

双层介质阻挡放电等离子体反应器，专利号：…

大连市巾帼技术（节能）创新发明优秀奖，2006