[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究开发并验证了一套自洽的等离子体非平衡态下CO2-O2混合气体的粒子动力学模型，该模型综合考虑了CO2和CO的详细振动态动力学，包括电子碰撞激发、振转（V-T）和振振（V-V）过程。模型表明，O2的加入通过增强与O原子的V-T弛豫，降低了CO2的振动态温度并抑制了CO2的离解；同时，通过逆向反应提高了CO的振动态温度。

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.

研究动机与目标

• 理解O2添加对非平衡等离子体中CO2离解及振动能级分布的影响。
• 将已验证的仅含CO2的粒子动力学模型扩展至包含CO的振动态及其与CO2、O2和O原子的相互作用。
• 解释实验中观察到的O2掺杂后CO2离解减少及振动态温度变化的现象。
• 量化V-T和V-V过程在CO2、CO与O物种之间能量传递中的作用。
• 通过0.4–5 Torr压力范围内直流辉光放电的实验数据验证扩展后的模型。

提出的方法

• 将自洽粒子动力学模型扩展，以包含CO的振动态（最高至v = 10）和CO2的振动态（对称伸缩模式v1 = 2，弯曲模式v2 = 5，不对称伸缩模式v3 = 5）。
• 模型包含电子诱导的振动态激发/去激发（e-V）、振转（V-T）弛豫以及振振（V-V）能量传递过程。
• 在V-T和V-V能量传递网络中纳入了涉及CO、CO2、O2和O原子的碰撞过程。
• 通过将模拟得到的振动态温度和CO2离解分数与0.4–5 Torr直流辉光放电实验数据对比，对模型进行验证。
• 动力学机制考虑了CO2与CO分子之间所有可能的V-V能量传递。
• 在不同O2浓度范围内进行模拟，以评估其对振动态和离解行为的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 O2添加如何影响非平衡CO2-O2等离子体中CO2各振动态的振动态温度？
• RQ2 O原子在增强V-T弛豫和降低CO2振动态能量方面起什么作用？
• RQ3 为何随着等离子体中O2含量增加，CO2离解分数会降低？
• RQ4 O2如何影响CO的振动态激发？其振动态温度升高的驱动力是什么过程？
• RQ5 与O2的逆向反应在多大程度上抑制了CO2-O2等离子体中的CO2离解？

主要发现

• O2添加导致所有CO2振动态的振动态温度明显降低，这是由于与O原子的V-T弛豫增强所致。
• 与O原子的V-T效率提高被确定为CO2振动态能量降低的主要原因。
• 随着O2含量增加，CO2离解分数降低，主要归因于涉及O2的逆向反应。
• CO的振动态温度随O2添加而升高，表明通过碰撞过程实现了更强的振动态激发。
• 在0.4–5 Torr压力范围内，模型对振动态温度和离解分数的模拟结果与实验数据具有良好的定量一致性。
• 引入CO的振动态动力学显著提升了模型再现CO2-O2混合气体中实验趋势的能力。