[論文レビュー] Study of vibrational kinetics of CO2 and CO in CO2-O2 plasmas under non-equilibrium conditions

C. Fromentin, Tiago Silva+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2022

Plasma Applications and Diagnostics被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、非平衡状態下におけるCO2-O2混合ガスに対して自己一貫性のあるプラズマ運動論モデルを構築し、検証した。このモデルは、CO2およびCOの詳細な振動励起状態を含み、電子衝突励起、V-TおよびV-V過程を考慮している。モデルは、O2添加がCO2解離を抑制し、O原子とのV-T緩和が強化されることでCO2の振動温度が低下することを説明している。一方、逆反応によりCOの振動温度が上昇する。

ABSTRACT

This work explores the effect of O2 addition on CO2 dissociation and on the vibrational kinetics of CO2 and CO under various non-equilibrium plasma conditions. A self-consistent model, previously validated for pure CO2 discharges, is further extended by adding the vibrational kinetics of CO, including electron impact excitation and de-excitation (e-V), vibration-to-translation relaxation (V-T) and vibration-to-vibration energy exchange (V-V) processes. The vibrational kinetics considered include levels up to v = 10 for CO and up to v1=2 and v2=v3=5, respectively for the symmetric stretch, bending and asymmetric stretch modes of CO2, and accounts for e-V, V-T in collisions between CO, CO2 and O2 molecules and O atoms and V-V processes involving all possible transfers involving CO2 and CO molecules. The kinetic scheme is validated by comparing the model predictions with recent experimental data measured in a DC glow discharge, operating at pressures in the range 0.4 - 5 Torr (53.33 - 666.66 Pa). The experimental results show a lower vibrational temperature of the different modes of CO2 and a decreased dissociation fraction of CO2 when O2 is added to the plasma but an increase of the vibrational temperature of CO. On the one hand, the simulations suggest that the former effect is the result of the stronger V-T energy-transfer collisions with O atoms which leads to an increase of the relaxation of the CO2 vibrational modes; On the other hand, the back reactions with O2 contribute to the lower CO2 dissociation fraction with increased O2 content in the mixture.

研究の動機と目的

• 非平衡プラズマにおけるO2添加がCO2解離および振動エネルギー分布に与える影響を理解すること。
• 検証済みのCO2のみを対象とした運動論モデルを拡張し、COの振動状態およびCO2、O2、O原子との相互作用を含めること。
• O2ドーピングに伴うCO2解離の減少および振動温度の変化という実験的観察を説明すること。
• CO2、CO、O種間でのエネルギー移動に寄与するV-TおよびV-V過程の役割を定量化すること。
• 0.4–5 Torrの圧力範囲におけるDCグロー放電からの実験データと照合して、拡張モデルの妥当性を検証すること。

提案手法

• 自己一貫性のある運動論モデルを、CO2の対称伸縮モード（v1 = 2）、曲げモード（v2 = 5）、非対称伸縮モード（v3 = 5）およびCOの振動状態（v = 10まで）を含むように拡張した。
• 電子誘起振動励起／非励起（e-V）、振動-並進（V-T）緩和、振動-振動（V-V）エネルギー移動プロセスをモデルに組み込んだ。
• CO、CO2、O2およびO原子を含む衝突過程をV-TおよびV-V移動ネットワークに組み込んだ。
• DCグロー放電（0.4–5 Torr）からの実験データと比較することで、モデルの妥当性を検証した。
• CO2とCO分子間の可能なすべてのV-Vエネルギー移動を運動論スキームが考慮している。
• O2濃度を変化させた範囲でシミュレーションを実施し、振動および解離挙動への影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 O2添加は、非平衡状態のCO2-O2プラズマにおけるCO2モードの振動温度にどのように影響するか？
• RQ2 O原子はどのようにしてV-T緩和を促進し、CO2の振動エネルギーを低減させるか？
• RQ3 なぜO2含有量が増加するにつれてCO2解離分率が低下するのか？
• RQ4 O2はCOの振動励起にどのように影響し、その増加した振動温度を引き起こすプロセスは何か？
• RQ5 逆反応によるO2の存在が、CO2-O2プラズマにおけるCO2解離をどの程度抑制するか？

主な発見

• O2添加により、すべてのモードにおいてCO2の振動温度が顕著に低下した。これはO原子とのV-T緩和が強化されたためである。
• O原子とのV-T効率の向上が、CO2の振動エネルギー低減の主な要因であると特定された。
• O2含有量が増加するにつれてCO2解離分率が低下し、主にO2を含む逆反応がその原因である。
• O2添加に伴いCOの振動温度が上昇した。これは衝突過程による振動励起が強化されたことを示している。
• 0.4–5 Torrの圧力範囲において、実験データとの間でモデルの定量的整合性が良好に得られた。
• COの振動状態を含めたことにより、CO2-O2混合ガスにおける実験的傾向を再現するモデルの能力が著しく向上した。