光谱解析低温等离子体中O，N，CO的活性中间体及其环境化学行为

摘要

低温等离子体技术在处理密闭舱室中低浓度、大气量、多品种有机污染物和分解CO2制氧气方面具有特殊的优势，但仍然面临着难以解决的问题：抑制有害副产物的生成和提高反应的选择性。要解决这些问题需要系统研究等离子体化学反应机理，需要搞清放电体系中各种气体组份的变化特征以及相互作用规律。本文以低温等离子体处理密闭舱室有机污染物时最常用的空气分子O2、N2、N2/O2、CO2等为放电体系，以大气压介质阻挡放电为等离子体产生方式，以放电时各种活性基团产生的发射光谱为主要研究手段，研究放电过程中产生的活性基团的类型、能量特征、化学活性、浓度变化规律和相互之间的化学反应过程。研究表明： 1、氧气介质阻挡放电时产生的活性基团主要是各种能量在9.15-15.78eV之间的激发态氧原子、激发态氧分子和能量高于15eV的氧分子离子，当氧气中含有少量水蒸气时还会产生OH自由基和能量更高的激发态O+离子；这些活性物种的形成涉及氧气分子的激发、离解和电离等多种过程，氧分子激发产生的亚稳态o2(A3∑+u)及离解产生的氧原子是导致氧气电离激发和一系列高激发态氧原子生成的主要因素，这些活性基团是氧化分解气态有机污染物时最主要的氧化剂和能量来源； 2、氮气放电时活性物种主要是能量在6至11eV的不同激发态氮气分子及少量的N2+、NO和激发态N原子，增大放电频率能减少基态和激发态的NO浓度； 3、N2/O2混合放电时，随着氧气含量的增加，五重态氮分子和NO迅速减少，而高能量、高活性的N+2(B2∑+u)的浓度明显增大，同时电子温度也明显升高，因此，N2/O2混合气体提供的更多高能量活性基团和高能量电子有利于提高处理污染物的效率； 4、CO2放电时活性基团主要是激发态CO、CO2+以及O原子，在常压介质阻挡放电这种温和的实验条件下，CO2分子也能够分解为CO、C和O2； 5、量子化学计算表明，CO2在放电中存在三种分解途径，其中三重态分解途径能垒最低，是低能量放电体系中最可能的分解途径。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1 前言

1.2 介质阻挡放电处理气态污染物的优势和进展

1.3 介质阻挡放电处理气态污染物所存在的问题

1.4 反应机理研究是解决存在问题的关键步骤

1.5 发射光谱法研究气体放电机理的优势

1.6 本课题的研究内容和技术路线

第二章 实验设备和研究方法

2.1 实验设备

2.2 研究方法

第三章 O2在低温等离子体中的活性基团及反应机理

3.1 实验部分

3.2 O2在介质阻挡放电中产生的活性基团

3.3 活性基团形成机理分析

3.4 活性基团参与的反应

3.5 本章小结

第四章 N2在低温等离子体中的活性基团及反应机理

4.1 实验部分

4.2 N2介质阻挡放电产生的活性基团

4.3. 放电频率对各种活性基团的影响

4.4 本章小结

第五章 N2／O2介质阻挡放电的环境化学反应及中间产物

5.1 实验部分

5.2 O2含量对N2介质阻挡放电中活性基团的影响

5.3 O2含量对等离子体参数的影响

5.4 本章小结

第六章 CO2在介质阻挡放电中的分解过程

6.1 实验部分

6.2 CO2介质阻挡放电时产生的活性基团

6.3 Ar、N2和O2对CO2放电的影响

6.4 CO2放电分解产物分析

6.5 本章小结

第七章 二氧化碳分解途径及中间产物的量子化学计算

7.1 计算软件与方法

7.2 二氧化碳分解中间产物的理论计算

7.3 二氧化碳分解途径分析

7.4 本章小结

第八章 全文总结与展望

8.1 主要结论

8.2 创新点

8.3. 展望

参考文献

附 录

攻读博士学位期间已发表或录用的论文及参与的项目

致 谢