氢浓度调控对常压氩/氢介质阻挡放电中电子能量与氢自由基的影响及其在生物油提质中的应用

本文通过一维流体模型模拟常压氩/氢脉冲介质阻挡放电（DBD），揭示了H2浓度（1 ppm-50%）对电子能量分布和H自由基密度的调控机制。研究发现增加H2%促使重Ar离子（Ar+、ArH+）向轻H离子（H3+、H+）转化，将有效离子质量从40降至3 amu，通过改变鞘层电位和能量耗散途径使电子平均能量提升至2.6-2.8 eV，同时维持约1013 cm?3的H自由基密度。该研究为等离子体辅助生物油加氢脱氧（HDO）提供了关键参数优化窗口。

　　

Highlight亮点发现

(1) 电子能量增强机制：在1 ppm-50%的H₂浓度范围内，时空平均电子能量显著提升。这种"离子减重效应"通过将主导离子从40 amu的Ar系离子转变为3 amu的H系离子，如同给等离子体系统更换了更轻的"能量传输齿轮"，使电子在碰撞中获得更高动能。

Results and Discussion结果与讨论

脉冲放电参数设定为：外加电压幅值V_a = 9 kV，脉冲重复频率f = 1 kHz。如图2(a)所示，在不同H₂浓度条件下（5 ppm、5%和50%），电子能量T_e随时间演变呈现相似特征，但在脉冲上升沿展现出有趣的"能量阶梯"现象。当H₂浓度达到5%时，电子能量分布函数呈现明显的双峰结构，这好比在等离子体反应器中同时存在"高速赛车"（高能电子）和"城市公交"（低能电子）两种能量传输模式。

Conclusion结论

本研究揭示的1-10% H₂浓度窗口，如同为生物油升级量身定制的"等离子体能量鸡尾酒"，既能维持2.6-2.8 eV的电子能量（相当于打破C-O键所需的精确能量锤），又可提供约10¹³ cm^?3的H自由基（相当于每微秒数百万次氢原子轰炸），为绿色生物燃料生产提供了完美的反应微环境。