Hvorfor en strøm af plasma gør kemiske reaktioner mere effektive

En snert af plasma, når det kombineres med en katalysator i nanostørrelse, kan få kemiske reaktioner til at forløbe hurtigere, mere selektivt, ved lavere temperaturer, eller ved lavere spændinger end uden plasma – og ingen ved rigtig hvorfor.

Ved hjælp af computermodellering, Juliusz Kruszelnicki fra University of Michigan undersøgte interaktionerne mellem plasmaer og metalkatalysatorer indlejret i keramiske perler i en reaktor med pakket leje. Han opdagede, at sammen, metallerne, perler og gas skaber plasma, der intensiverer elektriske felter og lokalt opvarmer katalysatoren, som så kan fremskynde reaktioner.

Kruszelnicki vil tale om dette arbejde på American Physical Society 71st Annual Gaseous Electronics Conference og 60. årlige møde i APS Division of Plasma Physics, som finder sted i næste uge, 5.-9. november i Oregon Convention Center i Portland.

Disse plasmareaktorer har et enormt potentiale til at gøre værdifulde kemiske processer mere effektive og omkostningseffektive, såsom fjernelse af luftforurening, omdannelse af kuldioxid til brændstoffer og fremstilling af ammoniak til gødning, gennem "plasma kemisk omdannelse."

"Kombinering af termokatalytiske systemer og plasmaer giver nye muligheder for at producere kemiske produkter, som du ellers ikke ville være i stand til, eller måske at gøre det med højere effektivitet, " sagde Kruszelnicki.

Kruszelnicki modellerede interaktionerne mellem plasma og katalysatorer ved hjælp af avancerede multifysiske koder udviklet i laboratoriet af Mark J. Kushner ved University of Michigan. Disse omfatter moduler til fænomener som elektromagnetik, overfladekemi, væskedynamik og kemisk kinetik. Han modellerede en reaktor med pakket leje, som er et rør fyldt med keramiske perler, med en elektrisk strøm, der går gennem koncentriske elektroder. Når gasser bevæger sig gennem reaktoren, katalysatorer får dem til at reagere på bestemte måder, såsom at kombinere nitrogen og brint for at generere ammoniak.

Kruszelnicki fandt ud af, at når perlerne er indlejret med metalliske katalysatorpartikler og derefter elektrificeret, feltemission af elektroner finder sted, hvilket muliggør højere tætheder af plasma. Plasmaet opvarmer katalysatoren, som kan få den kemiske reaktion til at forløbe hurtigere og mere effektivt, potentielt sænke den påførte effekt, der er nødvendig for reaktionen.

"Gennem denne proces med at lokalisere det elektriske felt, elektroner kan udsendes fra overfladen af ​​metalpartiklerne og starte et plasma, hvor det ellers ikke ville ske, " sagde Kruszelnicki.

Ved at simulere lavtemperatur plasmakemi, Kruszelnicki og andre medlemmer af Kushner-laboratoriet opdager nye måder, hvorpå plasma og katalysatorer arbejder sammen for at gøre plasma kemisk konvertering mere effektiv end traditionel kemisk konvertering. I øjeblikket arbejder de med National Science Foundations Industry-University Cooperative Research Centers Program for at samarbejde med virksomheder om at oversætte denne forskning til brug i industrien. De håber også, at disse mere effektive processer vil være kompatible med off-the-grid applikationer, såsom at lave gødning til subsistenslandmænd ved hjælp af solenergi.