plasmatis - INP Greifswald

Problemstellung
Der plasmagestützte Schadstoffabbau unter Atmosphärendruck
stellt eine Alternative zu herkömmlichen Abbaumethoden
dar. Als großes, den Durchbruch verhinderndes
Problem muss allerdings die Entstehung von unerwünschten
Nebenprodukten als auch die unzureichende Selektivität
der reaktionspfade angesehen werden. Eine verbesserung
des Abbaus konnte durch die Kombination von Plasmen mit
Katalysatoren als Feststoff erzielt werden. Eine zentrale Fragestellung
ist nun, welche Wirkmechanismen bei dieser heterogenen
Katalyse vorliegen und wie sie die Stoffwandlung
beeinflussen.
Lösungsansatz
Eine wichtige Kenngröße solcher Vorgänge ist der sogenannte
Sticking-Koeffizient γ. Dieser gibt an, wie viele Teilchen
einer Spezies, die auf der Oberfläche auftreffen auch
tatsächlich Oberflächenreaktionen erfahren, z.B. Sorptionsprozesse,
relaxationsprozesse.
Die Aufklärung dieses Koeffizienten für die relaxation vibratorisch
angeregter N 2 Moleküle an verschiedenen Oberflächen
erfolgt unmittelbar nach einem Dc Entladungspuls
mittels titration. Durch zugabe von ca. 0,5% cO 2 als Titrator,
kommt es durch resonante Vibration - Vibration Kopplung
zweier Schwingungsmoden der beiden Moleküle zur
Schwingungsanregung der cO 2 Moleküle. Da dieser Prozess
sehr schnell abläuft, kann man aus der Messung vibratorisch
angeregten Kohlendioxids auf die Konzentration von vibratorisch
angeregtem N 2 schließen. Als Messmethode wird
die Quantenkaskadenlaserabsorptionspektroskopie (QclAS)
verwendet. Ein auf dieser Methode basierendes, neu entwickeltes
Dreikanalspektrometer, Triple Q [1], Abb. 1, erlaubt
die simultane Aufzeichnung von 3 Molekülspektren und deren
automatische Auswertung. Es können zeitauflösungen
bis in den µs-Bereich erreicht werden.
Technologischer Nutzen
Vibratorisch angeregter Stickstoff stellt ein großes Energiereservoir
in Plasmen dar, welches die reaktionspfade der
Stoffwandlung beeinflusst. Die durchgeführten Untersuchungen
verbessern das Verständnis der heterogenen Katalyse
mit Plasmen. Das entwickelte Dreikanalspektrometer
kann in einer Vielzahl anderer Anwendungen eingesetzt
werden, z.B. in der halbleiterindustrie oder in den lebenswissenschaften.
FOrSchUngSSchWErPUnKt - UMWElt
Plasmachemie (GP) - Plasma Wand Wechselwirkung in Molekülplasmen
Wissenschaftliche Ergebnisse 2010/2011
Der Sticking-Koeffizient γ konnte für drei verschiedene
Oberflächen bestimmt werden. (i) Pyrex-glas, γ = 1,1 x 10 -3
(ii) Glas, beschichtet mit einem TiO 2 Film, γ = 9 x 10 -3 und (iii)
Glas, beschichtet mit TiO 2 Sol-Gel Film, γ ≥ 4 x 10 -2 . Die Ergebnisse
wurden mit Hilfe einer 0D-Modellierung überprüft.
Das Ergebnis ist in Abb. 2 gezeigt.
Die vorgestellte titrationsmethode nutzt cO 2 als Probengas
zur Untersuchung von Eigenschaften eines N 2 -Plasmas
in Wechselwirkung mit Oberflächen. Mit hilfe dieses verfahrens
ist es möglich, Aussagen über ein Gas, wie beispielsweise
N 2 , zu erhalten, welches sonst nicht für die Ir
Absorptionsspektroskopie zugänglich ist. Dadurch wird der
wissenschaftliche und kommerzielle Verwertungsbereich
der QclAS erweitert.
Vorhaben 2012
Bestimmung der Sticking-Koeffizienten für weitere Materialien
Untersuchung des Einflusses anderer gasspezies, z.B. O 2
Einfluss der Oberflächentemperatur und externer Uv
Strahlung auf den Sticking-Koeffizienten
Abbildung 1: Prinzipieller Aufbau des Dreikanalspektrometers Triple Q [1]
N 0 -βN 1 [a.u.]
Detector
1.4
1.2
1.0
QCL 1 QCL 2 QCL 3
OAP
Gas In Gas Out
Electrodes
OAP
Discharge Tube
TiO 2
Sol-Gel Film
0.8
0.6
TiO Film 2
0.4 Plasma
0.2
0.0
Pulse
5 10 15 20
t [ms]
25 30 35
Abbildung 2: Zeitlicher Verlauf der Relaxation schwingungsangeregten
Stickstoff (Linie, gemessen) an einem TiO 2 Film ( ) und an einem TiO 2 Sol-
Gel Film ( ) [2], Symbole: modelliert
Lens
OAP OAP
[1] M. Hübner et al. 2011 RSI 82 093102
[2] D. Marinov et al. 2012 J. Appl. Phys.: D, submitted
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