等离子体

1. 等离子体

2. 一、引言 • 二、等离子体的特性研究 • 三、等离子体的产生方法研究 • 四、等离子体的应用研究 • 五、等离子体与催化剂的协同作用 • 六、结语

3. 一、引言 等离子体是由带电的正粒子、负粒子（其中包括正离子、负离子、电子、自由基和各种活性基团等）组成的集合体，其中正电荷和负电荷电量相等。按热力学平衡分，等离子体分为完全热力学平衡等离子体（也称为高温等离子体）、局部热力学平衡等离子体、非热力学平衡等离子体（也称为冷等离子体）。

4. 等离子体的特性 • 导电流体； • 准电中性； • 等离子体鞘层； • 等离子体的辐射；

5. 空间特征尺寸限制在亚毫米量级的等离子体统称为微等离子体，它属于一种大气压非平衡态等离子体。微等离子体由于尺寸小，表面积与体积比大，带电粒子和激发态离子在表面区域的损耗和热能损失强，可以抑制高气压等离子体辉-弧转化的不稳定性，是产生大气压非平衡等离子体的重要手段。

6. 产生微等离子体的方法： 电晕放电、空心阴极放电、毛细管放电、DBD（介质阻挡放电）

7. DBD 介质阻挡放电也被称为无声放电，是一种典型的非平衡的高压交流气体放电。它通常由两个平行电极组成，其中至少有一个电极表面覆盖有电介质，当两极间加上交流高压或脉冲时，两极间的气体被击穿发生介质阻挡放电。

8. 特点：操作范围广；微放电； 缺点：放电电流很大程度上依赖于介质层的电容量，而这是很难改变的。

9. 介质层的作用：电介质能阻止放电向弧光放电的过渡，可以实现高压气体放电。此外，介质阻挡放电还可以充当射流等离子体放电的预放电，为形成射流提供种子电子，产生不同于尖端电晕放电、放电性质空间均匀的射流等离子体。介质层的作用：电介质能阻止放电向弧光放电的过渡，可以实现高压气体放电。此外，介质阻挡放电还可以充当射流等离子体放电的预放电，为形成射流提供种子电子，产生不同于尖端电晕放电、放电性质空间均匀的射流等离子体。

10. 微等离子体通常能够运行在大气压条件下，结合等离子体的特性以及它的低功耗、高密度、高稳定等特性以及其小巧、经济、便携等优势， 为其在纳米材料合成、紫外光源的获得、微化学分析系统、生物医学、材料表面改性和加工、环境污染物的处理等领域提供了广泛的应用空间。

11. 但是，微等离子体应用中存在着能量效率低、转化率低的问题，为了解决这个问题，提高能量利用率，一些研究者将微等离子体与催化剂结合使用，这不仅提高了能量效率，而且缓解了单独使用催化剂时存在的反应温度高、积碳现象等问题。但是，微等离子体应用中存在着能量效率低、转化率低的问题，为了解决这个问题，提高能量利用率，一些研究者将微等离子体与催化剂结合使用，这不仅提高了能量效率，而且缓解了单独使用催化剂时存在的反应温度高、积碳现象等问题。

12. 二、等离子体的特性研究 郑培超等人通过测定大气压微放电的伏安特性曲线，研究了大气压微等离子体的放电特性，实验表明，大气压直流微放电存在不同的放电模式：空心阴极放电和反常辉光放电。随着电流的增加，放电越来越强烈。体系压强增加，放电电压逐渐降低。流量的增加，引起放电电压先降低后增加。

13. Marius Blajan等研究了利用DBD技术生产N2/Ar混合物微等离子体时的微放电现象。实验结果表明，随着Ar浓度的增加，产生了辉光放电微等离子体。

14. Davide Mariotti等通过研究发现微等离子体表现出不平衡性，并且，随着等离子体尺寸的减小，气体温度和电子温度相差越大，增强了不平衡性。

15. L.G.Meng研究了微等离子体装置中的多放电现象。从模拟结果看，第一次放电结束后，电子密度中心聚集到了放电区域的顶端。电子区域的电荷中心可以被看成一个虚拟的电极。虚拟电极和另外的电极间的电压足以引发第二次放电。第二次放电期间，电子密度中心从顶端转移到底部，第二次放电发生。L.G.Meng研究了微等离子体装置中的多放电现象。从模拟结果看，第一次放电结束后，电子密度中心聚集到了放电区域的顶端。电子区域的电荷中心可以被看成一个虚拟的电极。虚拟电极和另外的电极间的电压足以引发第二次放电。第二次放电期间，电子密度中心从顶端转移到底部，第二次放电发生。

16. 李雪辰等研究了大气压流动 Ar 和 N2混合气体中产生的微等离子体射流特性。分别利用爱因斯坦方程和等离子体发射光谱中谱线的 Stark 展宽方法计算了电子密度。

17. 郑培超等通过直流电源驱动，在多种工作气体(如 Ar , He , N2等)中实现了大气压放电，产生了高电流密度的辉光放电。并分析了微等离子射流产生的激发物种成分。测量了以 Ar 和 N2 为工作气体时的等离子体发射光谱。利用发射光谱相对强度比值法测量了氩气微等离子体射流的电子激发温度。

18. N.Itagaki研究了电子回旋共振（ECR，electron cyclotron resonance）等离子体的电子温度随响应区域宽度的变化。实验发现，通过改变磁场区域的结构或者微波的的频率能够控制等离子体的温度。事实上，电子温度随着磁场梯度的减小而降低。

19. 通过阅读文献，发现目前对等离子体性质的研究主要集中于对其放电特性的研究上。也有一些针对于等离子体电子温度的研究，该研究具有很大的应用价值。等离子体在许多领域都显示出很大的应用潜质，但是，等离子体的电子温度相当高，如果在应用过程中不能合理的控制，容易造成对处理材料的破坏。另外，如何在调解电子温度的同时保持高的电子密度也是一个重要问题。另外，目前对等离子体共性（热力学、动力学性质）的研究仍然没有很突破性的进展。

20. 三、等离子体的产生方法研究 • Daisuke Ishihara等研究了DBD冷沉淀微等离子体的生成及其诊断。 • Naoki SHIRAI等验证了利用乙醇单纤维的脉冲放电生产微等离子的可行性。

21. Chang-Seung Ha使用直流脉冲生产了大气压微等离子体，该装置不具备外部电流控制电阻器，只包括He流入结构和不受介质约束的电极。实验证明，限制电压脉冲的宽度小于300nm，可以生成稳定的辉光等离子体，而不产生弧光流失的现象。

22. 目前，DBD放电生产微等离子体的应用越来越广泛。其中，介质层一般都使用石英。也可以在电极上进行 涂层（例如Al2O3），涂层来充当阻挡介质。

23. 涂覆液的制备一般采用溶胶-凝胶法，但是涂覆过程较难控制，这不仅需要涂覆液与基体有较好的结合性（可以在涂覆液中添加水玻璃作粘合剂），而且需要控制涂覆液的黏度到合适的大小，另外干燥和灼烧的温度和时间也对涂层的质量有较大的影响。

24. 四、等离子体的应用研究 Davide Mariotti等研究了在大气压微等离子体处理的表面上自对准氧化钼纳米颗粒的生成，以及硅纳米晶体微颗粒之间和银纳米颗粒之间碳基连接的自发生成。实验发现处理表面过程中出现的强的电磁域在自发合成过程中起着重要的作用。

25. I.Levchenko等研究了经过大气压Ar+CH4微等离子体处理的Si（100）表面上生成银纳米颗粒之间长的自组织碳连接。大量的模拟揭示了电场影响吸附碳原子的表面扩散，它也是我们观察到的自组织的主要推动力。结果表明，等离子体产生的表面电荷可以有效地控制复杂的碳结构纳米网络的自发形成。

26. D Mariotti等进行了在等离子体处理下由纳米材料组成纳米装置的研究。研究表明钼线和硅基板间的间距越小时，球状的纳米颗粒生成，而在间距变大的时候出现了片状结构。随着钼线的不断消耗，可能合成出片状纳米结构装饰的纳米颗粒组成的复杂的纳米装置。

27. 韩伟等论述了微等离子体增强电化学的产生途径及其过程的物理化学效应、以及在表面技术方面的应用和研究现状；并展望了它在表面技术方面的应用前景。韩伟等论述了微等离子体增强电化学的产生途径及其过程的物理化学效应、以及在表面技术方面的应用和研究现状；并展望了它在表面技术方面的应用前景。

28. Carolyn Richmonds等研究了等离子体和液体界面上的电子传递反应，他们证实了大气压微等离子体可以用作气相无金属电极，用来调整水溶液中的电子传递反应。

29. Tomohiro Nozaki等利用等离子体反应器将甲烷转化成了合成燃料。结果表明：有机氧化剂的合成产量为5-20％，选择性为70-30％。

30. T. Ito等研究了微等离子体在材料处理方面的应用。他们对碳膜进行了等离子体化学气相沉积，这种微等离子体采用的是CH4-H2体系。实验结果发现，随着H2/CH4比例的增加，碳膜的化学键由sp2杂化变为sp3杂化。

31. Toon Witvrouwen等使用非平衡等离子体对多相催化剂的催化活性表面进行了处理，经过处理，催化剂的分散度增大，减小了粒子尺寸，并且活性和稳定性均提高。

32. Jose A.C.讨论了微等离子体在光化学分析中的发展趋势。并且讨论了等离子体用于原子发射光谱源的应用。等离子体与光谱仪相结合，可以在气相色谱分析法中特殊元素追踪有很好的应用，与生产气相物种的技术结合用于元素追踪。

33. Anıl Agıral等研究了在涂有Ni/Al2O3催化剂的毛细管微反应器中利用DBD放电生产氦和氢等离子体来催化碳纳米纤维（CNF）的合成。实验表明，最优处理时间的选择相当重要。

34. 五、等离子体与催化剂结合使用研究 Jim Van Durme论述了非热等离子体和多相催化剂结合使用在废气处理方面的应用。 论述了等离子体与催化剂的结合使用可以应用于VOC（挥发性有机化合物）降解和氮氧化物的降解。

35. 催化剂对等离子体的影响：改变放电类型、改变等离子体的性质，产生更多的新物种，提高等离子体放电的氧化能力。等离子体对催化剂的影响：改变化学吸附，使表面积增加，改变催化剂的结构。催化剂对等离子体的影响：改变放电类型、改变等离子体的性质，产生更多的新物种，提高等离子体放电的氧化能力。等离子体对催化剂的影响：改变化学吸附，使表面积增加，改变催化剂的结构。

36. Hsin Liang Chen等研究了等离子体和热催化相结合在碳氢化合物重整制H2方面的应用。等离子体与热催化的结合既解决了单独采用催化制H2时严重的积碳现象，又解决了单独使用等离子体时低选择性的缺点。

37. 六、结语 结合等离子体高活性、发光性和传导性的特性，微等离子体在纳米材料合成、紫外光源的获得、微化学分析系统、生物医学、材料表面改性和加工、环境污染物的处理等领域得到了广泛的应用。但是也存在着问题，如在环境污染物处理上的应用（VOC的降解）存在着能量利用率低的问题。然而微等离子体与催化剂结合使用能够提高能量利用率，同时缓解了单独使用催化剂时反应温度高、积碳现象的问题。总之，微等离子体在很多领域都显示出很大的应用潜质，为了更好的应用微等离子体，就必须不断加深对微等离子体的性质认识。

38. 参考文献 [1]郑培超,王金梅,胡章芳,郝宏刚,王艳. 大气压微等离子体放电特性研究[J].高压电器,2010,46(5):18-21. [2]Marius Blajan,Member,IEEE,and Kazuo Shimizu,Member,IEEE.Phenomena of Microdischarges in Microplasma [J].Plasma Science,2012,40(6):1730-1732. [3] Davide Mariotti. Nonequilibrium and effect of gas mixtures in an atmospheric microplasma[J]. Appl.Phys.Lett.,2008,92(15). [4] L.G.Meng,Z.J.Lin,J.P.Xing,Z.H.Liang,and C.L.Liu. Multi-discharge phenomenon in coplanar electrodes Microplasma devices[J]. Eur.Phys.J.D,2010,60,575-579. [5] 李雪辰,赵娜,刘为远,刘志强. 大气压微等离子体射流电子密度研究[J]. 光谱学与光谱分 析,2010,30(7):1756-1758.

39. [6] 郑培超,王鸿梅,李建权,韩海燕,徐国华,沈成银,储焰南. 大气压直流微等离子体射流研究[J]. 光谱学与光谱分析,2009,29(2):289-292. [7] N.Itagaki,H.Muta,N.Ishii,Y.Kawai. Control of the electron temperature by varying the resonance zone width in ECR plasma[J]. Thin Solid Films,2004,457:59-63. [8] Daisuke Ishihara,Yuri Noma,Sven Stauss,Masaki Sai,Takaaki Tomai and KazuoTerashima. Development of a dielectric barrier discharge(DBD)cryo-microplasma:generation and diagnostics[J]. Plasma Sources Sci.Technol.,2008,17. [9] Chang-Seung Ha ,Joon-Young Choi ,Dong-Hyun Kim ,Chung-Hoo Park,Hae June Lee ,and Ho-Jun Lee. Properties of dielectric-barrier-free atmospheric pressure microplasma driven by submicrosecond dc pulse voltage[J]. Appl.Phys.Lett.,2009,95(6). [10] Naoki SHIRAI,Yu ONAKA,Shinji IBUKA,and Shozo ISHII. Formation of Ethanol Filament and Its Pulsed Discharge for Microplasma Generation[J]. Japanese Journal of Applied Physics,2008,47(4):2244-2249.

40. [11] Davide Mariotti. Self-organized nanostructures on atmospheric microplasma exposed surfaces[J]. Appl.Phys.Lett.,2007,91(18):(183111-1)-(183111-3). [12] I.Levchenko,K.Ostrikov,D.Mariotti. The production of self-organized carbon connections between Ag nanoparticles using atmospheric microplasma synthesis[J].Carbon,2008,47:344-347. [13] D Mariotti,and K Ostrikov. Tailoring microplasma nanofabrication:from nanostructures to nanoarchitectures[J]. J.Phys.D:Appl.Phys.,2009,42. [14] 韩伟,何业东. 微等离子体增强电化学及其在表面技术中的应用[J].表面技术，2005,34(5):76-78. [15]Carolyn Richmonds,Megan Witzke,Brandon Bartling,Seung Whan Lee,Jesse Wainright,Chung-Chiun Liu, and R.Mohan Sankaran. Electron-Transfer Reactions at the Plasma-Liquid Interface[J].JACS,2011,133:17582-17585.

41. [16] Tomohiro Nozaki,Anıl Agıral,Shuhei Yuzawa,J.G.E.Han Gardeniers,Ken Okazaki. A single step methane conversion into synthetic fuels using microplasma reactor[J]. Chemical Engineering Journal,2011,166:288-293. [17] T.Ito,T.Izaki,K.Terashima. Application of microscale plasma to material processing[J]. Thin Solid Films,2001,386:300-304. [18] Toon Witvrouwen,Sabine Paulussen,Bert Sels. The Use of Non-Equilibrium Plasmas for theSynthesis of Heterogeneous Catalysts[J]. Plasma Process.Polym.,2012,9:750-760. [19] Jose A.C.Broekaert .Volker Siemens. Some trends in the development of microplasmas for spectrochemical analysis[J]. Anal Bioanal Chem, 2004,380:185-189. [20] Anıl Agıral,Leon Lefferts,J.G.E.Gardeniers. Catalyst Activation by Microplasma for Carbon Nanofiber in a Microreactor[J]. Plasma Science,2009,37(6):985-992.

42. [21]Jim Van Durme,Jo Dewulf, Christophe Leys, Herman Van Langenhove. Combining non-thermal plasma with heterogeneous catalysis in waste gas treatment:A review[J]. Applied Catalysis B: Environmental,2008,78:324-333. [22] Hsin Liang Chen, How Ming Lee, Shiaw Huei Chen,Yu Chao, Moo Been Chang[J]. Applied Catalysis B: Environmental,2008,85,1-9.

43. 谢谢