液-气-液等离子体系统中由液体电导率与构型主导的放电模式选择

《Plasma Processes and Polymers》：Discharge Regime Selection Governed by Liquid Conductivity and Configuration in a Liquid–Gas–Liquid Plasma System

　　

在气-液界面处形成的等离子体放电可在液体中直接产生活性物种，但在脉冲激励下由电导率和构型决定的放电模式选择仍不清楚。研究人员将金属电极浸没于由气隙分隔的液体中，通过改变磷酸盐缓冲盐水（PBS）与超纯水（UPW）的电导率及排布，获得两种放电模式。PBS–PBS体系表现出火花到直流（DC）辉光的转变，伴随显著的界面加热与增强的化学产物生成；含UPW的体系则呈现类介质阻挡放电（DBD）行为，具有瞬态流光、微弱气体加热及较弱的放电后化学响应。电导率匹配的NaCl–NaCl溶液复现了火花到直流辉光的转变。这些发现表明液体电导率与阴极/阳极排布是放电模式选择及相关光学、热学与放电后化学响应的关键决定因素。

研究背景与立项依据：大气压气-液界面等离子体在环境处理、生物医学与分析科学中具应用潜力，短寿命活性物种可低温直接传入液相。既往研究多关注等离子体向液相的作用，忽视液体性质对气相等离子体形成与放电行为的反向影响；且已有液-液电极放电工作多在直流或准稳态下讨论放电是否存在与整体结构，脉冲激励下由电导率与构型决定的暂态电流演变及放电模式选择尚不明晰。生物医用场景常涉及多组分缓冲液（如PBS），需在简单电解质与多组分液体中同时考察电导率与阴/阳极侧排布的作用。为此，研究人员构建两石英管相对、金属钨针电极完全浸没于液体、中间留2 mm空气隙的液-气-液体系，在固定矩形脉冲（10 kV_p–p、5 kHz、占空比50%）驱动下系统改变两侧液体种类与排布，联合电气、高速光学、红外热像与液相化学分析揭示机制。

主要关键技术方法：研究人员采用两内径2 mm石英管经硅胶塞封端形成液面气隙2 mm，钨针电极居轴浸没，PLA支架固定；高压放大器输出矩形脉冲驱动一侧电极、另一侧接地。电气量经高压探头与电流探头由示波器记录；热演化用红外热像仪（无背壁holder）观测气相与界面；光学发射用200–1100 nm光谱仪积分4 s获取，时空演化用10–30万fps高速相机侧视同步触发；雾滴行为用520 nm线激光背光或侧照成像；液相化学在6 s放电后分别取近界面与近电极液30 μL池化，用碘化钾比色测H₂O₂、Griess法测NO₂^–/NO₃^–、pH计测酸碱偏移。液体队列为UPW（<1 μS cm^?1）、PBS（12.32 mS cm^?1，多离子含磷缓冲）、NaCl溶液（12.23 mS cm^?1），按阴极–阳极序排布七种组合。

研究结果

3.1 由液体电导率决定的两种放电模式：对比PBS–PBS、PBS–UPW、UPW–PBS、UPW–UPW电流波形，前者击穿后电流突增至约180 mA再维持准稳态DC分量（约2 kV/70 mA），属火花→DC辉光；含UPW三者仅见与电压同步位移电流与正半周尖峰脉冲（10–30 mA级），无持续DC分量，属类DBD。

3.2 高电导率液型中的火花-辉光转变：PBS–PBS在18 μs内达8 kV，2 μs内电流锐升，随后进入phase 1衰减与phase 2重燃谐振，维持DC分量至气泡使气隙超2 mm。红外显示气相1–2 s内升至约50°C，阴极侧界面液温峰值约90°C。光谱见N₂第二正带、N₂⁺第一负带、OH(308 nm)、O(777 nm)、Hα(656 nm)及Na/K线；高速成像见紫流光跨隙（>1.4×10³ m s^?1），阴极侧界面橙区扩展，phase 2出现近界面紫发射与中间橙发射分层。阴极侧产生33±10 μm滴粒并向阳极输运，部分回流，phase 2伴玻璃面雾化。NaCl–NaCl复现同模式，证实高电导率而非PBS专属成分主导。

3.3 含UPW体系的类DBD放电：含UPW组合均见电压边沿位移电流与正半周尖峰，UPW–PBS尖峰数更多且>30 mA比例更高。气相无显著升温，液温渐升至40–60°C且金属电极附近更热，界面升温仅2–3°C。光谱以N₂带紫光为主，含PBS时阴极侧或跨隙见碱金属橙发射。雾滴生成弱，仅PBS为阴极时玻璃微凝。

3.4 不同液型下放电后化学响应：H₂O₂在PBS–PBS阴极侧45.7 mg L^?1、阳极侧3.3 mg L^?1；含UPW体系低一个数量级以下（UPW–UPW阴极0.40/阳极0.21）。90°C加热10–30 s未见H₂O₂显著分解，排除热降解主因。NO₂^–+NO₃^–在PBS–PBS约7.62/3.41 mg L^?1，UPW–UPW约0.6。PBS–PBS阴极pH≈3、阳极pH≈11.5；含UPW变化温和，PBS缓冲抑制极端偏移。高电导率→高功率火花-辉光→强界面热与化学产率；低电导率→类DBD→弱热弱化学。

讨论部分总结：研究人员指出模式分立源于气-液界面电荷弛豫差异——高电导率液快速输运电荷抑制局域场积叠，允许扩展放电；低电导率液界面电荷积累致重复局域击穿。火花-辉光中电极-液界面双电层电容与分布RC使RC常数大于脉宽，故见电压先升后流、准稳态DC分量；橙Na发射自阴极溅射与雾滴输运维持。类DBD中低电导致位移电流主导、气相耦合能低。化学净产量差异非热解贡献为主，而由放电功率与液相物种供给量决定；样本池化3 h使浓度为等离子产与液相后反应净结果。作者坦言未直接测电子密度与场分布，雾滴量化与ROS/RNS时序谱为未来方向。

结论翻译：本研究表征了液-气-液体系中两相对液面间气相放电的电气、光学、热学与放电后化学特征。相同驱动下，改变液体电导率与阴/阳极侧排布产生两种模式：PBS–PBS发生火花→DC辉光转变，电匹配NaCl–NaCl复现该行为；含UPW体系呈无持续DC分量的尖峰主导类DBD。两模式在电流波形、光学发射、热响应（PBS–PBS强气/界面热，含UPW以液相温升为主）及放电后H₂O₂/NO₂^–/NO₃^–/pH变化幅度上分明。液体电导率与阴/阳极排布是液-气-液系统放电模式选择的关键参数，为通过液相选择与空间排布调控等离子体-液体界面过程提供依据。论文发表于《Plasma Processes and Polymers》。