[논문 리뷰] Validation of non-equilibrium kinetics in CO2-N2 plasmas

C. Fromentin, Tiago Silva외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 21.

Plasma Applications and DiagnosticsMedicine인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 비평형 조건에서 CO2-N2 플라즈마에 대한 자기일관된 운동학 모델을 검증하며, N2 첨가가 CO2 해리(최대 70%)를 증가시키고 V-V 에너지 전이 및 감쇠 감소에 의해 진동 온도를 높임을 보여준다. 모델은 0.6–4 토르 및 50 mA에서의 직류 발광 방전에서의 실험 데이터를 정확히 재현하며, N2를 통한 에너지 전달 및 역반응 감소로 인한 향상 효과를 기인한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 순수한 CO2 및 CO2-O2 플라즈마에 대한 검증된 운동학 모델을 CO2-N2 혼합물의 N2 운동학을 포함하도록 확장하기.
• 비평형 플라즈마 조건에서 N2 첨가가 CO2 해리 효율성과 진동 에너지 준위에 미치는 영향을 조사하기.
• 최근의 직류 발광 방전에서의 실험 데이터를 바탕으로 확장된 운동학 모델을 검증하기.
• N2 도핑된 CO2 플라즈마에서 CO2 해리 및 진동 에너지 준위를 향상시키는 주요 메커니즘을 규명하기.

제안 방법

• CO의 진동 준위까지 v = 10, N2의 경우 v = 59, CO2의 모드별로 v1 = 2, v2 = v3 = 5까지의 진동 준위를 포함하는 자기일관된 운동학 모델 개발.
• 전자 충격에 의한 진동 준위의 자극/탈진(е-V), 진동-번개(V-T), 진동-진동(V-V) 에너지 전이 과정 통합.
• CO2에 대한 다양한 N2 분율을 가진 0.6–4 토르 및 50 mA 조건에서의 직류 발광 방전 조건 시뮬레이션.
• 모델 예측값과 실험 측정값(진동 온도 및 CO2 해리 분율) 간의 비교.
• CO2-N2 및 CO-N2 V-V 전이 기여도, 원자 산소 감쇠 감소, N2(B³Πg) 전자 준위 자극 분석.
• 모든 종에 대해 일관된 비율 계수 및 단면적을 사용하여 열역학적 일관성 확보.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 N2 첨가가 비평형 CO2-N2 플라즈마에서 CO2 및 CO의 진동 온도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 N2 도핑된 CO2 플라즈마에서 향상된 CO2 해리에 기여하는 주요 에너지 전이 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 N2 희석으로 인한 원자 산소 농도 감소가 감쇠를 억제하고 진동 에너지 준위에 미치는 영향은 어느 정도인가?
• RQ4 N2(B³Πg) 전자 준위 자극이 플라즈마 내 CO2 해리에 기여하는 방식은 무엇인가?
• RQ5 확장된 운동학 모델은 CO2-N2 혼합물에서 실험적 CO2 해리 분율 및 진동 온도를 정확히 재현할 수 있는가?

주요 결과

• N2 첨가로 CO2 및 CO 모드의 진동 온도가 증가하며, 이는 비대칭 스트레치 및 굽힘 진동 모드에서 가장 두드러진다.
• CO2-N2 혼합물에서 CO2 해리 분율은 최대 70%에 도달하며, 순수한 CO2 플라즈마보다 현저히 높다.
• CO2-N2 및 CO-N2 V-V 에너지 전이 과정이 높은 진동 온도를 유도하는 주요 기여 요소이다.
• N2 희석으로 인한 원자 산소 농도 감소로 인해 진동적으로 자극된 상태의 감쇠가 감소하여 에너지 유지율이 향상된다.
• CO2 및 그 해리 생성물의 희석으로 인해 역반응 확률이 감소하여 순 해리가 유리해진다.
• N2(B³Πg) 전자적으로 자극된 상태는 추가적인 에너지 경로를 제공함으로써 CO2 해리를 더욱 촉진한다.