大气压介质阻挡放电等离子体的应用

大气压放电过程中会产生许多高能电子、离子、激发态粒子、自由基等活性粒子,这些活性粒子的存在会引发复杂的物理化学过程,使其在能源、环境、医学和材料领域得到了广泛的应用,主要包括污染物控制、材料表面改性、生物医学以及能源转化等。大气压等离子体的应用主要是基于放电过程中产生的高浓度活性粒子,可破坏污染物的分子结构、向材料表面植入特异性官能团,辅助催化剂加快催化反应过程的进行,因此展现出良好的应用前景。

在大气压条件下,气体放电的不稳定性使得放电过程极易演变为火花或者弧光放电。在火花和弧光放电中,等离子体气体温度较高且放电通道的出现具有随机性,限制了等离子体技术在各个领域的应用。因此,为了防止放电区域内产生火花或弧光放电,科研人员将绝缘材料放于放电反应区域中,形成介质阻挡放电,也称“无声放电”或“阻挡放电”。作为低温等离子体最常见的产生方式之一,大气压介质阻挡放电等离子体在生物医学、环境污染治理、材料表面改性和能源转化等多个领域展现出良好的应用前景。

(1) 污染物控制

在污染物控制领域,大气压放电等离子体最广泛的用途在于废水处理、气体有机污染物降解以及脱硫脱硝等。放电等离子体中产生的高能电子、OH自由基和其他含氧和含氮活性粒子等会使大分子的污染物发生氧化、分解,最终形成小分子污染物或者H2O和CO2。与传统的化学氧化、生物降解和微波处理等技术相比,等离子体技术具有操作过程简单、成本低、稳定性好和应用范围广等优点。

(2) 能源转化

等离子体技术在能源领域的应用主要包括CO2/CH4干重整、合成氨技术和制氢等。等离子体在能源领域的应用与污染物控制领域类似,主要依靠等离子体中高浓度活性粒子在放电区域产生一系列化学反应。例如,在等离子体CO2/CH4干重整反应中,CH4和CO2与电子碰撞在放电区域形成CH(A)、CH(B)、CO和H等活性粒子,再经过加氢及重组等一系列反应过程形成CO、H2及烃类产物。等离子体催化合成氨技术是以氮气和氢气或者氮气和水为原料,N≡N和H-H键等在高能电子的作用下被电离形成N和H,在气相和催化剂表面发生加氢反应生成氨气。

(3) 生物医学

等离子体技术在医学中的应用最初起源于对细菌和病毒的灭杀,这也是迄今为止研究最为广泛的一种,主要包括伤口消毒、皮肤病治疗、医疗器械消毒等。放电等离子体中产生的紫外线、活性氧和活性氮自由基、激发态和亚稳态粒子等可以破坏细菌的外部结构,使细胞质外漏从而导致细菌死亡。除了杀菌消毒外,等离子体技术在医学领域的重要应用还体现在与细胞和组织的相互作用,如伤口愈合、癌症治疗]以及促进正常细胞增殖等。

(4) 材料表面改性

随着工农业的快速发展和人类社会的不断进步,各种材料的应用领域不断扩大,对其性能的要求也日益严格。在此背景下,对传统材料的改性成为近年来的研究热点。相比于其他改性方法,等离子体技术具有对环境无污染、适用范围广、操作简单和处理效率高等优势。放电等离子体中产生的活性粒子能量一般在几个甚至几十个eV，可以打断材料表面的大部分化学键,并产生刻蚀、交联、官能团接枝和聚合等一系列的物理化学反应,从而提高材料的疏水性、亲水性、耐腐蚀性、吸附性、耐脏污性、生物相容性等。