[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究验证了非平衡条件下CO2-N2等离子体的自洽动力学模型，表明N2的添加可将CO2离解效率提升至70%，并通过V-V能量转移和减少淬灭作用提高振动态温度。该模型准确复现了0.6–4 Torr、50 mA直流辉光放电实验数据，其性能提升归因于N2介导的能量转移及逆反应减少。

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.

研究动机与目标

• 将已验证的纯CO2及CO2-O2等离子体动力学模型扩展至包含CO2-N2混合物中的N2动力学。
• 研究在非平衡等离子体条件下，N2添加对CO2离解效率及振动态激发的影响。
• 将扩展后的动力学模型与近期CO2-N2混合物直流辉光放电实验数据进行验证。
• 识别在N2掺杂CO2等离子体中促进CO2离解与振动态激发的主要机制。

提出的方法

• 构建自洽动力学模型，包含CO的振动态至v = 10，N2的振动态至v = 59，以及CO2的三种振动模式（v1 = 2，v2 = v3 = 5）。
• 引入电子碰撞激发/去激发（e-V）、振动态-转动态（V-T）及振动态-振动态（V-V）能量转移过程。
• 在0.6–4 Torr、50 mA条件下模拟直流辉光放电，改变CO2中N2的摩尔分数。
• 将模型预测结果与实验测得的振动态温度及CO2离解分数进行对比。
• 分析CO2-N2与CO-N2的V-V能量转移贡献、原子氧淬灭减少的影响，以及N2(B³Πg)电子激发态的作用。
• 采用一致的速率系数与截面数据集，确保所有物种的热力学一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非平衡CO2-N2等离子体中，N2添加如何影响CO2与CO的振动态温度？
• RQ2 在N2掺杂CO2等离子体中，促进CO2离解效率的主导能量转移机制是什么？
• RQ3 由于N2稀释导致原子氧浓度降低，其淬灭作用减弱在多大程度上抑制了振动态激发？
• RQ4 N2(B³Πg)电子激发态在等离子体中如何贡献于CO2离解？
• RQ5 扩展后的动力学模型能否准确复现CO2-N2混合物中的实验CO2离解分数与振动态温度？

主要发现

• N2添加显著提高CO2与CO振动态的温度，尤其在不对称伸缩振动与弯曲振动模式中效果最明显。
• 在CO2-N2混合物中，CO2离解分数最高可达70%，远高于纯CO2等离子体中的结果。
• CO2-N2与CO-N2的V-V能量转移过程是振动态温度升高的主要贡献因素。
• 由于N2稀释导致原子氧浓度降低，减少了对振动态激发态的淬灭，从而增强能量保留。
• CO2及其离解产物的稀释降低了逆反应概率，有利于净离解过程。
• N2(B³Πg)电子激发态通过提供额外的能量传递路径，进一步促进CO2离解。