CO2 プラズマの解離と価値化研究用の水冷式高出力誘電体バリア放電反応器

Scientific Reports volume 13、記事番号: 7394 (2023) この記事を引用

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脱炭素研究と水素研究の枠組みで二酸化炭素のエネルギー効率の高い利用と価値化を目指して、新しい誘電体バリア放電（DBD）反応器が設計、構築、開発されました。 水冷電極を備えたこのテスト装置は、ユニットあたり 20W ～ 2kW の広い範囲でプラズマ出力を調整できます。 このリアクターは、低圧から中高圧 (0.05 ～ 2 bar) を含む広範囲のプラズマ条件とプロセスを目的とした触媒と膜の統合に対応できるように設計されています。 この論文では、純粋で不活性な希ガス混合物の流れにおける CO2 の O2 と CO への吸熱性の高い解離に関する予備研究を紹介します。 これらの初期実験は、チャンバー容積 40cm3 内に 3 mm のプラズマギャップを備えた形状で実行され、プロセス圧力は数 200 mbar から 1 bar まで変化し、純粋な CO2 を使用し、N2 で希釈されました。 初期の結果では、反応器システムの下流で測定した、解離生成物への変換率 (最大 60%) とエネルギー効率 (最大 35%) との間のよく知られたトレードオフが確認されました。 変換率、エネルギー効率、トレードオフ曲線の改善は、プラズマ動作パラメータ (ガス流量やシステム形状など) を調整することによってさらに達成できます。 高出力の水冷プラズマ反応器と、電子的および波形診断、発光および質量分析を組み合わせることで、高速電力過渡現象およびサージの化学的貯蔵に関する研究に便利な実験枠組みが提供されることがわかりました。

人間の活動と、火山から自然生物学に至るまでの自然プロセスの両方に関連するエネルギーサイクルに関連するガスを大規模かつエネルギー効率よく処理することは、人類の技術の歴史的目標である一方で、いくつかの科学的、学際的な課題を提起しています。 実際、H2、H2O、O2、CO2、CO、N2、NH3、CH4 と高級炭化水素間の化学気相転移は、地表での自然および人間関連プロセスのエネルギー交換、および地表への温室効果ガス排出の大部分を占めています。雰囲気。

遍在する酸化燃焼とは別に、そのような大規模な惑星系に干渉する技術的実現可能性を超えて、基礎科学からエネルギー貯蔵と変換に関する技術的詳細に至る実践的な知識を得ることが、いかなる「生態学的移行」にとっても必須の前提となる。地球上の人間の（命と）健康の大幅な減少。

CO2 プラズマ解離を利用して大規模エネルギー貯蔵を実現するという概念は、70 年代後半に主に Legasov のグループによって開発されました 1。 当時の問題は、夜間に原子力エネルギーが豊富に利用できることであり、CO2プラズマ解離、CO/O2分離、および下流でのCOと水とのH2（およびCO2）への反応によって水素を製造できることが提案された。水の電気分解の代替品。 プラズマ電力システムの応答時間は非常に速いため、同じ概念を再生可能電気エネルギーの過渡現象やサージに適用して、H2 への閉ループ「電力からガス」エネルギー貯蔵スキームを実装するのに魅力的です。 さらに、同じプラント内に H2 と CO が同時に存在することは、電気再生可能エネルギーの利用可能性と予測、電気燃料 (e 燃料として知られる) を生産するためのグリッドと燃料の要件に基づいて、「開ループ」反応経路が便利になる可能性があることを示唆しています。

実際、これらの初期の研究では、実験室規模で、マイクロ波励起プラズマ中の最適化されたガス圧力、電子密度、電子エネルギーにおいて、亜音速流で 80%、超音速流で 90% という高い解離エネルギー効率を発見し、報告しました 2。 逆に、高周波 (HF、100 kHz 範囲) で駆動される誘電体バリア放電 (DBD) プラズマ 3 は、マイクロ波 (MW) プラズマ 4 よりも興味深いものであり、その概念に実際に適用するには次のような利点があります。プラズマへのプラグ）、低コストのコンポーネントを使用した高平均電力ドライバー、MW マッチングネットワークの回避、工業規模へのスケールアップ（オゾン発生器など 5）。 直流グロー放電 6 とは対照的に、DBD プラズマはサイクルごとに限られた電荷を注入することで電極表面の熱暴走を本質的に防ぐため、高圧 (つまり大気圧以上 7) で容易に安定します。 図 1 に、DBD プラズマのスキームを示します。ここでは、電荷が内壁の誘電体表面に容量的に誘起され、内面に沿って移動するため、ガスで満たされた誘電体壁のエンクロージャ全体に印加される交流高電圧によってガス破壊が誘発されます (面放電）とギャップ全体（ガス放電）。