En gnutta av plasma, i kombination med en nanoserad katalysator, kan orsaka att kemiska reaktioner fortskrider snabbare, mer selektivt, vid lägre temperaturer, eller vid lägre spänningar än utan plasma - och ingen vet riktigt varför.
Med hjälp av datormodellering, Juliusz Kruszelnicki från University of Michigan undersökte samspelet mellan plasma och metallkatalysatorer inbäddade i keramiska pärlor i en reaktor med packad säng. Han upptäckte att tillsammans metaller, pärlor och gas skapar plasma som intensifierar elektriska fält och lokalt värmer katalysatorn, som sedan kan påskynda reaktionerna.
Kruszelnicki kommer att prata om detta arbete vid American Physical Society 71st Annual Gaseous Electronics Conference och 60:e årliga mötet i APS Division of Plasma Physics, som kommer att äga rum nästa vecka, 5-9 november på Oregon Convention Center i Portland.
Dessa plasmareaktorer har en enorm potential att göra värdefulla kemiska processer mer effektiva och kostnadseffektiva, som att ta bort luftföroreningar, omvandla koldioxid till bränslen och producera ammoniak för gödningsmedel, genom "plasma kemisk omvandling".
"Genom att kombinera termokatalytiska system och plasma kan nya vägar producera kemiska produkter som du annars inte skulle kunna, eller kanske för att göra det med högre effektivitet, "Sa Kruszelnicki.
Kruszelnicki modellerade interaktionerna mellan plasma och katalysatorer med hjälp av avancerade flerfysiska koder som utvecklats i labbet av Mark J. Kushner vid University of Michigan. Dessa inkluderar moduler för fenomen som elektromagnetik, ytkemi, vätskedynamik och kemisk kinetik. Han modellerade en packad sängreaktor, som är ett rör fyllt med keramiska pärlor, med en elektrisk ström som passerar genom koncentriska elektroder. När gaser rör sig genom reaktorn, katalysatorer får dem att reagera på specifika sätt, som att kombinera kväve och väte för att generera ammoniak.
Kruszelnicki fann att när pärlorna är inbäddade i metalliska katalysatorpartiklar och sedan elektrifieras, fältemission av elektroner sker, vilket möjliggör högre densitet av plasma. Plasman värmer katalysatorn, vilket kan få den kemiska reaktionen att fortgå snabbare och mer effektivt, eventuellt sänka den applicerade effekten som behövs för reaktionen.
"Genom denna process för att lokalisera det elektriska fältet, elektroner kan avges från metallpartiklarnas yta och starta en plasma, där det annars inte skulle inträffa, "Sa Kruszelnicki.
Genom att simulera lågtemperaturplasmakemi, Kruszelnicki och andra medlemmar i Kushner -labbet upptäcker nya sätt att plasma och katalysatorer arbetar tillsammans för att göra plasmakemisk omvandling mer effektiv än traditionell kemisk omvandling. För närvarande arbetar de med National Science Foundations program för industri-universitetets kooperativa forskningscentra för att samarbeta med företag för att översätta denna forskning för användning inom industrin. De hoppas också att dessa mer effektiva processer kommer att vara kompatibla med applikationer utanför nätet, som att göra gödselmedel för livsmedelsbönder som använder solenergi.
