JPD编辑优选：仿真揭示填充床DBD反应器等离子体传播机理

1. 高介电常数填料极点处电场增强诱发局部放电，低介电常数填料表面电离波引起流光放电。
2. 增大电压促进放电模式从局部放电向流光放电转变，填料介电常数越高，转变的临界电压越大。
3. 催化剂填料充当电容俘获放电电荷解释了局部放电现象及其非平行四边形李萨茹图，为更精确的放电等效电路模型构建提供参考。

文章介绍

Weizong Wang, Tom Butterworth，Annemie Bogaerts

通讯作者：

■  王伟宗，北京航空航天大学

论文建立了考虑单个球形填料的填充床介质阻挡放电（DBD）反应器等离子体流体模型，研究了催化剂填料介电常数对空气等离子体生成和传播过程的影响，并通过与放电的显微光学成像对比，提升对等离子体-催化剂相互作用机理的理解。研究发现，高介电常数填料极点处电场增强（图1）诱发局部放电；低介电常数填料表面电离波引起跨越反应器间隙的流光放电（图2）。增大电压促进放电模式从局部放电向流光放电转变，填料介电常数越高，上述转变的临界电压越大（图3）。上述发现对等离子体催化应用意义较大：介电常数大的填料能够增大电子能量，提升等离子体活性粒子的密度，但局部放电易集中在填料极点附近，限制了催化剂的活化面积，可能对催化产生不利影响。

研究还发现催化剂填料具有电容的特性，能够俘获介质阻挡放电产生的电荷（图4），限制等离子体在空间发展的程度，很好地解释了填充床DBD反应器的局部放电现象及其非平行四边形的李萨茹图。更精确的放电等效电路模型应考虑催化剂填料的这一角色，这对于更好地理解等离子体催化反应器的运行条件十分必要。

研究背景

等离子体协同催化技术结合了传统催化和等离子体技术的优点，优化了反应器的性能，提高了能量效率和产品的选择性，在能源转化、污染控制、深空探测等领域应用前景广阔。等离子体与催化剂在运行过程中相互作用、相互影响。一方面，放电过程产生离子、自由基和激发态粒子等大量高活性等离子体组分，改变了催化剂的物理化学性质。另一方面，催化剂填料改变了电场分布，影响等离子体产生和传播方式，从而改变等离子体化学性质以及反应器性能。更好地理解离子体与催化剂相互作用的基本物理化学过程，将有助于提升反应器的处理效果。在这方面，计算机仿真技术因其能够揭示更细致的作用过程、加深对内在机理的理解得到人们的广泛关注。

作者介绍

Journal of Physics D: Applied Physics（JPhysD，《物理学报D：应用物理》）发表应用物理各领域的前沿研究和综述，具体包括：应用磁学和磁性材料、半导体和光子学、低温等离子体和等离子表面相互作用、凝聚态物理、表面科学和纳米结构、生物物理以及能源等六个领域。文章类型包括原创性论文、研究路线图、通讯以及每年针对热点研究的专题综述和特刊。