[論文レビュー] Validation of non-equilibrium kinetics in CO2-N2 plasmas

C. Fromentin, Tiago Silva+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2023

Plasma Applications and DiagnosticsMedicine被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、非平衡状態下におけるCO2-N2プラズマに対する自己一貫性のある運動論モデルの妥当性を検証した。N2の添加によりCO2解離が促進され（最大70％）、V-Vエネルギー移動とクエンチングの低減により振動温度が上昇することが示された。モデルは0.6–4 Torr、50 mAのDCグロー放電条件下での実験データを正確に再現し、N2を介したエネルギー移動と逆反応の低減が性能向上に寄与していると特定した。

ABSTRACT

This work explores the effect of N2 addition on CO2 dissociation and on the vibrational kinetics of CO2 and CO under various non-equilibrium plasma conditions. A self-consistent kinetic model, previously validated for pure CO2 and CO2-O2 discharges, is further extended by adding the kinetics of N2. The vibrational kinetics considered include levels up to v = 10 for CO, v = 59 for N2 and up to v1 = 2 and v2 = v3 = 5, respectively for the symmetric stretch, bending and asymmetric stretch modes of CO2, and account for electron-impact excitation and de-excitation (e-V), vibration-to-translation (V-T) and vibration-to-vibration energy exchange (V-V) processes. The kinetic scheme is validated by comparing the model predictions with recent experimental data measured in a DC glow discharge operating in pure CO2 and in CO2-N2 mixtures, at pressures in the range 0.6 - 4 Torr (80.00 - 533.33 Pa) and a current of 50 mA. The experimental results show a higher vibrational temperature of the different modes of CO2 and CO and an increased dissociation fraction of CO2, that can reach values as high as 70%, when N2 is added to the plasma. On the one hand, the simulations suggest that the former effect is the result of the CO2-N2 and CO-N2 V-V transfers and the reduction of quenching due to the decrease of atomic oxygen concentration; on the other hand, the dilution of CO2 and dissociation products, CO and O2, reduces the importance of back reactions and contributes to the higher CO2 dissociation fraction with increased N2 content in the mixture, while the N2(B3Pg) electronically excited state further enhances the CO2 dissociation.

研究の動機と目的

• 純CO2およびCO2-O2プラズマの妥当化された運動論モデルを、CO2-N2混合ガスのN2動態を含めるように拡張すること。
• 非平衡プラズマ条件下におけるN2添加がCO2解離効率および振動励起に与える影響を調査すること。
• 最近のCO2-N2混合ガスにおけるDCグロー放電からの実験データと照合して、拡張された運動論モデルの妥当性を検証すること。
• N2ドーピングされたCO2プラズマにおけるCO2解離および振動励起を促進する主要メカニズムを同定すること。

提案手法

• COの振動準位（v = 10まで）、N2の振動準位（v = 59まで）、CO2のモード（v1 = 2、v2 = v3 = 5）を含む自己一貫性のある運動論モデルの構築。
• 電子衝突による励起／消去（e-V）、振動-回転移動（V-T）、振動-振動移動（V-V）エネルギー移動プロセスの組み込み。
• 0.6–4 Torrおよび50 mAのDCグロー放電条件下でのシミュレーションを、CO2中のN2割合を変化させながら実施。
• 振動温度およびCO2解離率の実験測定値とモデル予測値の比較。
• CO2-N2およびCO-N2のV-V移動寄与、原子酸素のクエンチング低減、N2(B³Πg)電子励起状態の寄与の分析。
• すべての種に対して一貫性のある速度定数および断面積を用い、熱力学的一致性を確保。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 N2添加は、非平衡状態下のCO2-N2プラズマにおけるCO2およびCOの振動温度にどのように影響するか？
• RQ2 N2ドーピングされたCO2プラズマにおけるCO2解離の向上をもたらす主要なエネルギー移動メカニズムは何か？
• RQ3 N2希釈に起因する原子酸素濃度の低減がクエンチングを抑制し、振動励起に与える影響はどの程度か？
• RQ4 N2(B³Πg)電子励起状態は、プラズマ内でのCO2解離にどのように寄与するか？
• RQ5 拡張された運動論モデルは、CO2-N2混合ガスにおける実験的CO2解離率および振動温度を正確に再現できるか？

主な発見

• N2添加によりCO2およびCOモードの振動温度が上昇し、特に非対称伸縮振動モードおよび曲げ振動モードで顕著な上昇が観察された。
• CO2-N2混合ガスではCO2解離率が最大70％に達し、純CO2プラズマに比べ顕著に向上した。
• CO2-N2およびCO-N2のV-Vエネルギー移動プロセスが、上昇する振動温度の主な寄与要因であった。
• N2希釈に起因する原子酸素濃度の低減により、振動励起状態のクエンチングが減少し、エネルギーの保持が促進された。
• CO2およびその解離生成物の希釈により逆反応確率が低下し、ネット解離が促進された。
• N2(B³Πg)電子励起状態は、CO2解離をさらに促進するための追加のエネルギー経路を提供した。