[논문 리뷰] Study of vibrational kinetics of CO2 and CO in CO2-O2 plasmas under non-equilibrium conditions

C. Fromentin, Tiago Silva외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 14.

Plasma Applications and Diagnostics인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 비균형 조건 하에서 CO2-O2 혼합가스에 대한 자기일관성 있는 플라즈마 운동학 모델을 개발하고 검증한다. 이 모델은 CO2와 CO의 세밀한 진동 운동학을 포함하며, 전자 충격에 의한 자극, V-T 및 V-V 과정까지 포함한다. 모델은 O2 첨가가 CO2 해리와 CO2 진동 온도를 감소시키는 이유를 설명한다. 이는 O 원자와의 강화된 V-T 비탄성 충돌에 기인하며, 동시에 CO의 진동 온도는 역반응에 의해 증가한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비균형 플라즈마에서 O2 첨가가 CO2 해리 및 진동 에너지 분포에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 검증된 CO2 전용 운동학 모델을 확장하여 CO의 진동 상태와 CO2, O2, O 원자와의 상호작용을 포함하는 것.
• O2 도핑에 따른 실험 관측 결과인 CO2 해리 감소 및 진동 온도 변화를 설명하는 것.
• CO2, CO, O 종 간 에너지 전달에 기여하는 V-T 및 V-V 과정의 역할을 정량화하는 것.
• 0.4–5 토르 압력 범위 내에서 DC 글로우 방전에서의 실험 데이터와의 비교를 통해 확장된 모델을 검증하는 것.

제안 방법

• 자기일관성 있는 운동학 모델을 확장하여 CO2의 대칭 스트레치, 굽힘, 비대칭 스트레치 모드에 대해 각각 v1 = 2, v2 = v3 = 5까지, CO의 진동 상태는 v = 10까지 포함한다.
• 전자기 진동 자극/해리(е-V), 진동-진동(В-T) 비탄성 충돌, 진동-진동(V-V) 에너지 전달 과정을 포함한다.
• CO, CO2, O2 및 O 원자 간의 충돌 과정을 V-T 및 V-V 전달 네트워크에 통합한다.
• 0.4–5 토르 압력에서 DC 글로우 방전에서의 실험 데이터와 비교하여 모델을 검증한다.
• CO2와 CO 분자 간 가능한 모든 V-V 에너지 전달 경로를 고려한 운동학 체계를 수립한다.
• 다양한 O2 농도 범위에서 시뮬레이션을 수행하여 진동 및 해리 거동에 미치는 영향를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 O2 첨가가 비균형 CO2-O2 플라즈마에서 CO2 모드의 진동 온도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 O 원자가 V-T 비탄성 충돌을 강화하고 CO2 진동 에너지를 감소시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 왜 플라즈마 내 O2 농도가 증가함에 따라 CO2 해리 분율이 감소하는가?
• RQ4 O2는 CO의 진동 자극에 어떤 영향을 미치며, 그로 인해 진동 온도가 증가하는 주요 과정은 무엇인가?
• RQ5 역반응을 통한 O2 첨가가 CO2-O2 플라즈마에서 CO2 해리를 얼마나 억제하는가?

주요 결과

• O2 첨가로 인해 O 원자와의 강화된 V-T 비탄성 충돌로 인해 모든 CO2 모드에서 CO2 진동 온도가 유의미하게 감소한다.
• O 원자와의 V-T 비탄성 충돌 효율 향상은 CO2 진동 에너지 감소의 주요 원인으로 규명된다.
• O2 농도가 증가함에 따라 CO2 해리 분율이 감소하며, 주로 O2를 포함한 역반응에 기인한다.
• O2 첨가로 인해 CO의 진동 온도가 증가하여 충돌 과정을 통한 진동 자극이 강화됨을 시사한다.
• 0.4–5 토르 압력 범위에서 실험 데이터와의 비교에서 모델이 진동 온도 및 해리 분율에 대해 양호한 정량적 일치를 보였다.
• CO의 진동 운동학을 포함함으로써 모델이 CO2-O2 혼합가스에서의 실험적 경향을 보다 정확히 재현할 수 있는 능력이 크게 향상되었다.