气体温度对大气空气介质阻挡放电等离子体中臭氧生成的影响

　　近日，国际权威期刊《Vacuum》发表了盐城工学院与南昌大学联合团队的最新研究成果。该研究通过先进的光学诊断技术，首次系统揭示了气体温度对大气空气介质阻挡放电(DBD)等离子体中臭氧生成的关键调控机制，为优化臭氧制备工艺提供了重要理论依据。

　　研究背景

　　臭氧(O₃)作为一种强氧化剂，凭借其优异的消毒、脱色和除臭性能，已广泛应用于水处理、食品加工、医疗消毒和工业废气处理等领域。随着环保要求的日益严格，臭氧技术的市场需求持续增长。目前，介质阻挡放电(DBD)技术因其操作简单、环境友好和可规模化等优势，被认为是最具前景的臭氧制备方法之一。然而，工业实践中发现，DBD系统的臭氧产率和能效存在显著波动，这种不稳定性严重制约了其大规模应用。

　　近年研究表明，气体温度是影响臭氧生成的关键参数之一。虽然已有研究注意到温度效应，但对其具体作用机制的认识仍不完善，缺乏系统的实验数据和理论分析。此外，放电频率作为DBD系统的重要操作参数，会直接影响等离子体特性和能量耦合效率。频率变化不仅改变电子能量分布，还会导致气体加热程度不同。因此，深入理解放电频率-气体温度-臭氧产率之间的关联机制，对优化DBD臭氧发生器性能具有重要意义。

　　本研究通过精确控制实验条件，结合先进诊断技术，旨在揭示气体温度对臭氧生成的影响规律，为开发高效稳定的臭氧制备系统提供科学依据。

　　实验方法与装置

　　图1 (a) 实验装置示意图 (b) DBD反应器的结构及电极的局部放大图。红色和白色箭头分别表示气体流量通道和冷却水通道。石英壁将放电区与冷却回路隔离开来。(读者可参阅本文的网页版本，以了解该图例中有关颜色的解释)。

　　本研究采用自主设计的同轴型DBD反应器系统(图1)，其核心部件包括：

　　放电反应器：由带齿不锈钢高压电极(直径16mm)和双层石英玻璃管(内径20/25mm)构成，形成2mm单边放电间隙和50mm有效放电长度。独特的水冷电极设计通过外循环系统精确控制反应器温度。

　　供气系统：采用质量流量控制器(MFC)精确调节干燥空气的流量(固定为3.0 L/min [1 atm, 0℃])，确保实验条件的一致性。

　　高压电源系统：使用交流电源提供20-30kV可调电压，工作频率设置为37kHz和40kHz两个典型值。

　　光学诊断系统：采用TRC411-S-H20-U科学CMOS相机(配Canon EF 50mm f/1.8镜头)记录放电形态;使用光谱仪(配2400g/mm光栅)采集300-500nm范围的发射光谱; 通过Beer-Lambert定律(采用254nm汞灯光源)定量测量臭氧浓度。

　　电学测量系统：采用高压探头测量施加电压;通过50Ω取样电阻测量放电电流;使用0.47μF串联电容获取电荷量;通过示波器(带宽1GHz，采样率5GSa/s)记录实时波形。

　　实验过程中，首先通入干燥空气并启动冷却系统，待系统稳定后施加高压。每次实验持续5分钟以确保稳态测量，所有数据均重复测量3次取平均值。通过李萨如图形法计算放电功率，结合光谱拟合技术确定气体温度，最终建立放电参数与臭氧产率的定量关系。

　　实验结果

　　本研究通过系统的实验分析，揭示了气体温度对介质阻挡放电(DBD)等离子体中臭氧生成的关键影响。研究团队首先观察到放电特性的显著差异，如图2所示：在37 kHz条件下，放电呈现稀疏的丝状通道，间距约2-3 mm，发光强度较弱;而当频率升至40 kHz时，放电丝密度增加约40%，形成交织的网络状结构，发光明显增强。随着电压从20 kV升高至30 kV，两种频率下的放电区域均有所扩展，但40 kHz条件下的空间均匀性更为突出。

　　图2 不同激发频率和施加电压条件下空气中丝状放电模式的表征：(a-c) 37 kHz，电压从20 kV增至30 kV;(d-f) 40 kHz，与上述相同电压条件。红色虚线矩形标示高压电极位置，便于区分放电区域与电极区域。(关于图例中颜色引用的解释，请参考本文的网络版。)

　　在温度测量方面，研究采用高精度的光谱分析技术，通过N₂(C³Πu→B³Πg)第二正系统的精细光谱拟合获得了重要数据。结果显示，37 kHz时的旋转温度为405±30 K，而40 kHz时显著升高至600±30 K。值得注意的是，振动温度保持相对稳定，仅从2831±145 K小幅上升至2893±126 K，表明电子激发过程并未受到显著影响。这一发现为理解等离子体中的能量传递机制提供了重要线索。

　　臭氧生成性能的测试结果尤为引人注目，如图3所示，在37 kHz条件下，系统表现出最佳的臭氧产率：25 kV电压下浓度达到462.4 ppm，能量效率在20 kV时达到峰值3.4 g/kWh。然而，当频率升至40 kHz时，性能出现急剧下降，臭氧浓度始终低于3 ppm，能量效率最低仅为0.05 g/kWh。进一步分析特定输入能量(SIE)发现，虽然40 kHz时的SIE高达6476.2 J/L(30 kV)，但其能量转化效率却比37 kHz条件下低了整整两个数量级。

　　图3 (a) 臭氧浓度(柱状图，左轴)与生成效率(折线图，右轴)在固定放电频率(37 kHz与40 kHz)下随外加电压(20-30 kV)的变化关系。(b) 特定输入能量(SIE)随外加电压与放电频率的变化曲线。

　　通过对反应机制的深入分析，研究人员揭示了温度影响的关键路径。高温环境显著抑制了关键生成反应：O(³P) + O₂ + M → O₃ + M的速率下降了61%(M = O₂时)，三体复合反应效率降低了54%(M = N₂时)。与此同时，分解路径被明显加速：O₂(a¹Δg) + O₃ → 2O₂ + O(¹D)的速率提升了9.8倍，电子碰撞分解(e + O₃)的贡献率从37%大幅上升至82%。这些定量结果为理解臭氧生成效率的温度依赖性提供了坚实的实验依据。