等離子體化學催化

只有當分子的能量超過活化能時,才能發生化學反應。在傳統化學中,這種能量是通過分子與分子或分子與壁面之間的碰撞進行傳遞的。在等離子體中,一方面,振動能可以通過循序漸進的方式逐漸增加到最低反應能量;另一方面,電子與分子的碰撞能傳遞更多的能量,從而將中性分子變成多種活性組分或將中型粒子電離,新組分主要包括超活性中性粒子、陽離子和陰離子。在常規化學反應不能產生大量新組分的情況下,等離子體成了一種功能非常強大的化學手段,擔負起了催化劑角色。一般情況下,溫度較低的反應或者給定溫度下速率加快的反應都是受到了等離子體的影響。

然而,在能量范圍分布廣泛的等離子體中,電子的激發或電離是沒有選擇性的。在一個等離子體系統中,大量各種各樣的活性粒子會引發很多反應,而且在反應過程中,幾乎不可能控制特別重要的、具有決定意義的粒子。

等離子體環境中,高能粒子可以將分子的共價鍵打斷。在電子能量分布函數尾部的高能電子和非平衡等離子體中強局域電場的參與下,很可能實現新的化學反應。

等離子體環境對許多化學反應都有利。特定反應能否發生主要由輸入的工藝參數決定,如氣體種類、流速、壓強、輸入功率等。邊界和基底之間也會發生多種反應。燒蝕和沉積的相對速率決定了相關的表面處理。當采用有機蒸汽作為工作氣體時,就會發生等離子體聚合和沉積。在刻蝕和沉積過程中,材料表面與等離子體中原始的或新生產的組分發生反應,這意味著表面條件,如污染物、阻聚劑、阻檔層、氣體吸附等非常重要,會對過程動力及沉積的薄膜特性產生影響。

分子在等離子體中解離后變成高活性組分,然后這些活性組分再與有機化合物發生反應。氫原子既可以連接到雙鍵上,也可以從其他分子中抽離原子。在氧等離子體中,電離和解離能形成多種組分。另外,還可以形成如O2(1△g)等亞穩態的組分。氧原子的主要反應是增加雙鍵以及CH鍵轉化成羥基或羧基。氮原子可以與飽和或不飽和的分子發生反應。

等離子體化學中一個有趣的發展方向是將原始的簡單分子合成復雜的分子結構。典型的反應包括:異構化、消除原子或小的基團、二聚/聚合以及破壞原始材料等,例如甲烷、水、氮和氧等氣體混合經過輝光放電,最終會得到生命的起源物質——氨基酸。等離子體中存在順反異構化、成環或開環反應。除了單分子反應,還可以發生雙分子反應。

分享到:

發表評論

電子郵件地址不會被公開。 必填項已用*標注