Selective productions of reactive species in dielectric barrier discharge by controlling dual duty cycle  

通過控制雙占空比實現介質阻擋放電中反應性物種的選擇性生成  

來源：Plasma Processes and Polymers, Volume 21, 2024, Article Number e2400098

《等離子體過程與聚合物》期刊2024年第21卷，文章編號e2400098  

 

摘要內容：  

該研究開發了一種通過雙占空比（交替高/低占空比）控制表面介質阻擋放電（SDBD）溫度的策略，實現氮氧化物（NO?）和臭氧（O?）的選擇性生成。研究發現：  

單占空比下，高溫模式（>170°C）促進NO/NO?生成，低溫模式（<100°C）促進O?/N?O?生成（圖5）。  

 

 

雙占空比（50%高占空比+低占空比交替）首次實現NO/NO?與O?/N?O?的交替生成（圖7），最高濃度分別達100 ppm。  

 

在去離子水處理中，雙占空比同時檢測到液相NO（Unisense微電極測量）、NO??、NO??和O?（圖8），驗證了氣-液相傳質協同效應。  

 

研究目的：  

解決傳統SDBD中因溫度依賴性反應導致的NO?與O?互斥生成問題（高溫抑制O?，低溫抑制NO）。  

 

通過雙占空比設計實現單一反應器內交替溫度控制，同步獲取多種活性物種。  

 

為農業（植物免疫氮源）、醫療（NO吸入療法）等需多物種協同的應用提供新方案。  

 

研究思路：  

裝置設計：構建48放電單元的SDBD反應器（SiO?介質，圖1），以干燥空氣（19% O?）為氣源（流速3.0 L/min）。  

 

占空比調控：  

 

單占空比：固定占空比（8.3%-50%）測試溫度與物種關系（表1）。  

 

雙占空比：交替50%高占空比（1 min升溫）與低占空比（2 min降溫）實現溫度循環（圖2c, 圖6）。  

 

 

參數測量：  

 

電學特性：電壓/電流波形（圖2）、耗散功率（圖3）。  

 

溫度：SDBD表面溫度實時監測（圖4）。  

 

活性物種：氣相（FTIR檢測NO/NO?/N?O?/O?，圖5,7）、液相（Unisense微電極測NO，光譜法測NO??/NO??，臭氧儀測O?，圖8）。  

機理解析：結合溫度依賴反應動力學（表3）解釋物種生成路徑。  

 

測量的數據及研究意義  

溫度數據：SDBD表面溫度隨占空比線性升高（6°C/10%占空比，圖4b）。意義：量化溫度控制精度，關聯物種生成閾值（O?: <100°C, NO: >170°C）。來源圖4。  

 

氣相活性物種：  

 

單占空比：50%時NO/NO?主導，<25%時O?/N?O?主導（圖5）。  

 

雙占空比：NO/NO?（高溫相）與O?/N?O?（低溫相）交替生成（圖7）。  

 

   意義：驗證溫度控制對反應路徑的選擇性調控（如R3: O?+NO→NO?, R7: NO?+NO?→N?O?）。來源圖5、圖7。  

液相物種：  

 

單占空比：50%時液相NO為主（0.8 ppm），<25%時NO??為主（80 ppm）（圖8a,b）。  

 

雙占空比：同步檢出NO（0.2-0.6 ppm）、NO??（70-85 ppm）和O?（圖8c,d）。  

 

   意義：揭示氣-液相傳質機制（R8: 2NO?+H?O→NO??+HNO?, R9: N?O?+H?O→2HNO?），證明雙占空比實現多物種協同輸運。來源圖8。  

 

結論：  

溫度控制機制：  

 

單占空比通過固定熱累積/冷卻時間控制溫度（線性關系），但物種生成互斥。  

 

雙占空比（50%高占空比+低占空比交替）實現60-300°C溫度循環，突破物種互斥限制。  

物種選擇性：  

 

高溫相（170-300°C）：激活反應R1（N+O?→NO）和R5（O+NO→NO?），生成NO/NO?。  

 

低溫相（60-150°C）：激活R2（O+O?→O?）和R7（NO?+NO?→N?O?），生成O?/N?O?。  

協同應用：雙占空比處理的水中同時存在NO（植物免疫激活）、NO??（植物生長氮源）和O?（消毒），為農業/醫療提供多功能溶液。  

 

詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量出來的數據的研究意義：  

丹麥Unisense微電極（USNO-100型）用于實時測量液相一氧化氮（NO）濃度（圖8b,d），研究意義包括：  

高靈敏度監測動態過程：  

 

檢測限達0.1 ppm，實時捕捉雙占空比處理中NO濃度的周期性波動（高溫相上升，低溫相下降），直接驗證氣相NO向液相的傳質效率（圖8d）。  

揭示反應競爭機制：  

 

在低溫相初期，檢測到NO濃度瞬時下降（如2nd占空比12.5%時從0.6 ppm降至0.2 ppm），結合氣相FTIR數據（圖7d），證實反應R3（O?+NO→NO?）在氣液界面發生，解釋NO消耗路徑。  

量化協同效應：  

 

測得雙占空比下水相NO（0.2-0.6 ppm）與NO??（70-85 ppm）共存，證明單一處理源可同步提供免疫激活（NO）和營養供給（NO??），為農業等離子體水處理提供優化依據。