利用双喷射设计，通过大气压氩气（Ar）和氩气/氦气（Ar/He）等离子体射流实现二氧化碳（CO2）的分解

《IEEE Transactions on Plasma Science》：The Dissociation of CO2 by Atmospheric Pressure Ar and Ar/He Plasma Jets With Twin-Jet Design

双喷流等离子体系统在室温常压下高效解离CO?，通过等离子体喷流对撞实现解离效率提升至76.02%，解离率达0.54 g/h，优于单喷流和平行喷流系统。实验证实喷流对撞强化了Penning效应，Ar/He混合气体中大粒子碰撞截面对解离起关键作用，电子温度/密度及谱线强度比通过OES分析验证机制。

　　

摘要：

本文采用改进的双喷射等离子体系统，在室温和常压下利用氩（Ar）等离子体分解二氧化碳（CO₂）。在该系统中，两个等离子体喷射流在封闭的管内相对设置。首次利用双喷射等离子体系统研究了等离子体喷射流碰撞对提高CO₂分解速率和效率的影响。通过该系统，探讨了在不同CO₂流量、脉冲频率和电压作用下，等离子体特性与CO₂分解速率及效率之间的关系。随后，通过平行喷射等离子体系统验证了双喷射等离子体的增强分解机制。此外，使用Ar/He混合气体来说明彭宁效应（Penning effect）的重要性。等离子体光谱通过光学发射光谱法（OES）进行测量，从而获得了电子温度（T_e）、电子密度（n_e）以及光谱强度比（I_CO/I_{CO2）等参数。实验结果表明，最高的分解效率达到了76.02%，分解速率为0.54克/小时，这优于单喷射或平行喷射系统所获得的结果。此外，研究发现使用双喷射系统可以在较高CO2浓度下维持较高的分解速率。平行喷射实验进一步证实，来自相反方向的等离子体喷射流碰撞是双喷射系统提高分解速率的主要原因。最后，根据Ar/He等离子体的实验结果可知，参与反应的大颗粒的碰撞截面对CO2的分解过程至关重要。分解过程主要受到Ar*的彭宁效应的影响，而这种效应在双喷射系统中因等离子体碰撞而得到增强。}

引言

二氧化碳（CO₂）是人类排放的最大温室气体，其排放量每年都在显著增加。尽管已经提出了许多应对措施，但目前尚无确定的解决方案。一些最新研究表明，等离子体方法可能适用于CO₂的分解[1]、[2]。通常利用大气压等离子体（APP）在室温和1个大气压条件下实现CO₂的分解，通过等离子体中的激发原子、离子或电子的撞击或振动，可将CO₂高效分解为一氧化碳和氧气[3]、[4]。APP分解CO₂的研究方向包括介质阻挡放电（DBD）[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、微波等离子体（MW）[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、滑弧（GA）等离子体[15]、[16]、[17]以及APP喷射（APPJ）[18]、[19]、[20]、[21]等。