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