低温等离子体活化转化煤层甲烷机理的光谱诊断

为了探究低温等离子体活化转化煤层甲烷的机理,采用自制的介质阻挡放电实验系统对体积组成为CH440%、O212%、N248%的模拟煤层甲烷进行等离子体活化转化。采用色谱分析方法对煤层甲烷介质阻挡放电稳定产物进行分析,结果表明低温等离子体活化煤层甲烷的主要产物为CH3OH、CO和CO_2。采用发射光谱原位诊断技术在200~700 nm波长范围内研究了放电气体的发射光谱,检测到O·、CH·、C·、Hα、N2(A3Σ+U)等激发态物种。基于发射光谱原位诊断和气相色谱分析结果,对煤层甲烷活化转化的自由基反应过程进行了推断。同时,明晰了反应气中N2对煤层甲烷活化和主要产物的生成具有促进作用,即N2产生了存活时间更长的亚稳态离子,该亚稳态离子将能量传递给反应气中的O2和CH4,进而加速了煤层甲烷的活化和稳定产物的生成。     

光谱诊断冷等离子体作用下甲烷转化机理的初步研究(英文)

冷等离子体是甲烷无氧活化制C2烃较为有效的技术手段之一,由于等离子体反应体系的复杂性,甲烷无氧活化制C2烃反应机理及过程尚不十分清楚。本文采用发射光谱原位诊断技术对冷等离子体作用下甲烷无氧活化制C2烃反应中若干激发态物种进行诊断研究,在250nm～670nm波长范围内检测到下列激发态物种:CH、C和C2。依据激发态物种检测结果、气相色谱反应产物分析结果及等离子体特性,推断了等离子体作用下甲烷无氧活化制C2烃的自由基反应历程。     

离子液体在大气压等离子体中稳定性研究

采用发射光谱、紫外可见吸收光谱、红外吸收光谱和核磁共振技术分析1-丁基-3-甲基咪唑硫酸氢盐（[Bmim]HSO₄）, 1-丁基吡啶硫酸氢盐（HSO₄）和1-丁基-3-甲基咪唑四氟化硼（[Bmim]BF₄）三种离子液体在大气压介质阻挡放电氩等离子体体系中的稳定性,并分别以上述三种离子液体为辅助液采用大气压介质阻挡放电等离子体技术制备TiO₂,进一步研究三种离子液体在等离子体中的稳定性对所制备的TiO₂晶相结构的影响。结果表明：向大气压介质阻挡放电氩等离子体中分别引入[Bmim]HSO₄,HSO₄和[Bmim]BF₄离子液体后并未改变氩等离子体放电光谱谱峰的位置和数量且没有新的谱峰生成,但谱峰强度都明显降低,说明上述三种离子液体没有在等离子体区蒸发形成激发态物种;[Bmim]HSO₄和HSO₄放电前后的红外吸收光谱基本一致,表明离子液体在放电后的化学键未发生改变;[Bmim]HSO₄和HSO₄的紫外可见吸收光谱显示其吸收峰的位置和强度未发生改变,说明两种离子液体在等离子体作用后的结构是稳定的;[Bmim]BF₄放电前后的红外吸收光谱各个特征峰并无明显差异,但其紫外可见吸收光谱图谱吸收峰的位置却发生较大的偏移,进一步对放电前后的[Bmim]BF₄离子液体进行核磁共振分析,两者的1H NMR峰数相同,但放电后的离子液体化学位移向高位偏移大约0.2单位,说明其化学环境发生了变化,表明有部分[Bmim]BF₄结构发生改变。光谱和核磁共振技术分析表明离子液体[Bmim]BF₄在等离子体作用后结构发生了改变。采用三种离子液体辅助大气压介质阻挡放电等离子体技术制备TiO₂样品的X-射线衍射分析结果表明 [Bmim]HSO₄和HSO₄辅助制备的HSO₄-TiO₂和[Bmim]HSO₄-TiO₂,谱图与锐钛矿相TiO₂标准谱图基本一致,表明所制备的TiO₂为纯锐钛矿型。而[Bmim]BF₄辅助制备的[Bmim]BF₄-TiO₂在2θ=24.1°处的衍射峰向小角度偏移,2θ=48°处的衍射峰向大角度偏移,说明[Bmim]BF₄在辅助制备TiO₂过程中,F进入TiO₂的晶格,破坏了TiO₂原子间的平衡状态,生成了F掺杂TiO₂光催化材料。F掺杂TiO₂光催化材料的形成也间接证明了离子液体[Bmim]BF₄在大气压等离子体中的不稳定性,此结果与核磁共振及紫外可见光的检测结果相一致。同时说明离子液体在等离子体的作用下对于纯锐钛矿晶格的形成和促进高活性掺杂型的光催化材料具有重要作用。为等离子体辅助离子液体制备高性能纳米材料提供重要的实验和理论依据。     

甲烷在空气燃烧的等离子体射流助燃效应的光谱研究

大气压氩等离子体射流是一种非平衡等离子体,能够产生大量的电子、离子、激发态粒子和活性基团,在燃烧过程中这些粒子的参与能够大大降低化学反应的活化能,而等离子体射流的动力学效应影响粒子输运过程,使得等离子体射流具有一定程度的辅助燃烧效果.本实验通过发射光谱测量,分别识别出了在非预混和预混的甲烷燃烧过程参与燃烧的中间物种(O...     

甲烷电离特性的等离子体发射光谱法研究

应用等离子体发射光谱法,用CCD(charge coupled device)光栅光谱仪记录并标识了脉冲电晕甲烷等离子体370～1 100 nm的发射光谱,确定了常温常压下高纯甲烷(99.99%)经100 kV, 100 Hz脉冲高压电离后的产物为H,C+,CH,C,C₂,C₃, C₄,C₅和烃等。通过分析实验检测到的甲烷等离子体发射光谱,给出了甲烷经脉冲高压电离形成电晕等离子体的机理和自由基CH_n(n=3,2,1)、碳、烃等产物的电离途径。结果显示甲烷分子经高能电子非弹性碰撞后脱氢程度很高,大量氢原子及其离子和甲烷自由基在进一步被高能电子作用下合成了烯烃、炔烃、烷烃和高聚碳化物。实验所获得的脉冲甲烷等离子体发射光谱及其机理分析可为甲烷及其转化研究提供相关依据。     

螺旋波激发甲烷等离子体光谱诊断

利用螺旋波激发等离子体化学气相沉积(LPP-CVD)技术,以甲烷和氦气为反应气体产生等离子体.通过采集到甲烷的可见光到紫外发射光谱,对甲烷等离子体进行原位诊断,发现存在CH、Ha及Hβ等碎片粒子的光辐射,同时,分析了不同入射功率、气压下CH粒子以及Hβ、Hγ的相对强度变化情况.结果表明:CH粒子的相对强度随着射频功率是先增大而后减小,随工作气压的增大而逐渐减小;随气压及功率的增加,Hβ、Hγ相对强度变化的总体趋势都是先增加而后减小的.     

螺旋波激发甲烷等离子体光谱诊断

利用螺旋波激发等离子体化学气相沉积（LPP-CVD）技术,以甲烷和氦气为反应气体产生等离子体。通过采集到甲烷的可见光到紫外发射光谱,对甲烷等离子体进行原位诊断,发现存在CH、Hα及Hβ等碎片粒子的光辐射,同时,分析了不同入射功率、气压下CH粒子以及Hβ、Hγ的相对强度变化情况。结果表明：CH粒子的相对强度随着射频功率是先增大而后减小,随工作气压的增大而逐渐减小;随气压及功率的增加,Hβ、Hγ相对强度变化的总体趋势都是先增加而后减小的。     

离子液体热分解机理的原位变温多核核磁共振研究

利用原位变温核磁共振氢谱（¹H NMR）、核磁共振氟谱（¹⁹F NMR）和核磁共振磷谱（³¹P NMR）等NMR技术研究特定温度下离子液体的热分解机理．在温度低至80℃时,1-丁基-3-甲基咪唑阳离子（C₄mim⁺）和六氟磷酸根阴离子（PF₅-）组成的离子液体[C₄mim][PF₅]呈现1个缓慢但明显的分解过程．无水[C₄mim][PF₅]在温度高于80℃时开始分解,生成少量的五氟化磷（PF₅）和氟化氢（HF）,氟化氢中的氢原子来自于1-丁基-3-甲基咪唑环2位上的氢原子．在丢掉这个氢原子后,阳离子成环形成一个卡宾,并与PF₅形成卡宾/PF₅复合物．定量NMR分析显示在分解反应达到平衡状态时,自由态PF₅和卡宾/PF₅复合物的比例为7∶3．     

等离子体辅助甲烷聚合物制备及分析

在氢气和甲烷环境下,利用辉光等离子体放电制备了聚合物。该聚合物的外观特征为白色、略发黄、柔软、丝状,易碎为粉末状。聚合物中含有–CH3,–CH2,C–O,–C=C–,–OH等官能团且不存在单质形态的碳。有机溶剂溶解分析发现,常温下该聚合物在各种有机溶剂中的溶解性极小、小于0.1mg.ml^-1,几乎不溶于甲苯中,在不同有机溶剂中的溶解度大小依次为,S丙酮>S三氯甲烷>S乙醇>S环己醇>S甲苯。低温等离子体的离化率越高、中性气体被极化时的极化半径越大、环境温度越低以及介电常数越小,聚合物的生成能力越强。     

复杂结构自组织等离子体光子晶体光谱研究

利用双水电极介质阻挡放电装置,在气体放电中产生了一种由放电丝自组织形成的复杂结构等离子体光子晶体。该晶体结构由许多四边形的晶胞组成,每个晶胞包括大点、两种不同的小点和线,分别对应粗等离子体柱、两种细等离子体柱和等离子体片。采用发射光谱法,对不同位置处的等离子体状态进行了研究,对比了其电子密度和分子振动温度。具体方法是通过氩原子696.54 nm(2P₂→1S₅)的发射谱线测量谱线展宽进而对比电子密度,通过氮分子第二正带系(C3Π_u→B3Π_g)的发射谱线计算分子振动温度。结果发现：四种不同位置的等离子体具有不同的电子密度和分子振动温度,即它们各自处于不同的等离子体态。电子密度按照降序排列顺序依次为：中心粗等离子体柱四周的细等离子体柱、粗等离子体柱、边缘处的等离子体片、等离子体片交叉点处的细等离子体柱;分子振动温度的变化趋势与电子密度相反。由于等离子体电子密度不同,对光的折射率也不同,因此在该晶体结构中,粗等离子体柱、两种细等离子体柱以及等离子体片具有不同的折射率,它们和周围未放电的区域自组织形成具有五种折射率的复杂结构等离子体光子晶体。该等离子体光子晶体易于产生,具有结构多样、分析简单的优点,具有广泛的应用前景。     

复杂结构自组织等离子体光子晶体光谱研究

利用双水电极介质阻挡放电装置, 在气体放电中产生了一种由放电丝自组织形成的复杂结构等离子体光子晶体。该晶体结构由许多四边形的晶胞组成, 每个晶胞包括大点、两种不同的小点和线, 分别对应粗等离子体柱、两种细等离子体柱和等离子体片。采用发射光谱法, 对不同位置处的等离子体状态进行了研究, 对比了其电子密度和分子振动温度。具体方法是通过氩原子696.54 nm(2P2→1S5)的发射谱线测量谱线展宽进而对比电子密度, 通过氮分子第二正带系(C3Πu→B3Πg)的发射谱线计算分子振动温度。结果发现: 四种不同位置的等离子体具有不同的电子密度和分子振动温度, 即它们各自处于不同的等离子体态。电子密度按照降序排列顺序依次为: 中心粗等离子体柱四周的细等离子体柱、粗等离子体柱、边缘处的等离子体片、等离子体片交叉点处的细等离子体柱;分子振动温度的变化趋势与电子密度相反。由于等离子体电子密度不同, 对光的折射率也不同, 因此在该晶体结构中, 粗等离子体柱、两种细等离子体柱以及等离子体片具有不同的折射率, 它们和周围未放电的区域自组织形成具有五种折射率的复杂结构等离子体光子晶体。该等离子体光子晶体易于产生, 具有结构多样、分析简单的优点, 具有广泛的应用前景。     

醋酸N-正辛基吡啶离子液体在不同溶剂中的荧光光谱分析

离子液体具有熔点低、可忽略的蒸气压、电化学窗口宽、热稳定性高和良好的导电性等独特性能,引起了化学工业和相关领域的广泛关注。离子液体具有低蒸气压,不会造成空气污染,但这并不意味着它们对环境完全无害。大多数离子液体易溶于水,可能会因为意外泄漏或通过污水进入水生环境。常用离子液体[BMIM][PF₆]和[BMIM][BF₄]的水溶液中,很容易形成氢氟酸,磷酸,具有一定的腐蚀性。将离子液体列为绿色溶剂,也需要提供其关于代谢和降解的毒性、生态毒性研究数据,或者其对环境影响的数据,离子液体在不同溶剂中的检测方法是非常重要的。离子液体的光谱分析法用量较少、方法简单、结果准确。离子液体和许多有机溶剂互溶,可形成均一、稳定的溶液。荧光检测法具有灵敏度高,选择性好,线性范围宽和受外界干扰少等优点。本工作研究了醋酸N-正辛基吡啶（OP-OAc）离子液体在水、乙醇、乙腈、乙酸等4种溶剂中的荧光光谱。研究结果表明,OP-OAc离子液体在不同溶剂中的荧光强度：I_乙酸＞I_乙腈＞I_乙醇＞I_水;最大发射波长的大小顺序：λ_{em, 水}＞λ_{em, 乙醇}＞λ_{em, 乙腈}＞λ_{em, 乙酸};它们的最大发射波长相对于激发波长发生红移;水中OP-OAc的荧光强度与浓度存在较高的相关性;当加入的甲醇、乙醇、乙腈溶剂不断增加时,OP-OAc离子液体的荧光强度增加,溶剂与水的比例为8∶2时,OP-OAc离子液体的荧光强度最强,溶剂的比例超过80%时,荧光强度突然降低;水中OP-OAc离子液体在pH 10时,荧光强度最高,在pH 14时,荧光强度最低。     

等离子体制取羟自由基降解苯酚溶液及其历程的UV研究

研究了利用强电离放电产生等离子体方法制取羟基自由基氧化降解高浓度苯酚废水。当羟基自由基浓度达到1 037 mg·L-1时,初始浓度为1 215 mg·L-1的废水降解率达99.11%;初始浓度为8 853 mg·L-1的废水苯酚浓度下降到6 250 mg·L-1,1 mg羟基自由基可处理苯酚2.5 mg。在同样羟自由基浓度下,苯酚初始浓度越小,去除率越高;但初始浓度越高,处理的绝对量越大。阐述并解释了不同降解阶段废水pH值、电导率与羟基自由基浓度变化的关系。随着羟自由基浓度的增大,废水酸碱性由接近中性逐渐转为酸性,浓度越大,酸性越强;继续增大羟自由基浓度,变化渐趋平缓。随着羟自由基的通入,电导率有一个微小的降低阶段然后开始上升,说明苯酚不断的被氧化为有机酸。通过紫外图谱和色谱分析了降解中间产物,表明氧化初始阶段邻苯二酚、对苯二酚和苯醌是其中重要的化合物。     

离子液体[bmim][PF6]对氧杂蒽酮光解行为的影响

选择氧杂蒽酮(XAN)为探针分子,利用纳秒级瞬态光解技术研究在1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐离子液体([bmim][PF6])以及离子液体与常规溶剂中的光化学行为,探索不同溶剂对氧杂蒽酮激发三线态态(3 XAN*)的最大吸收峰的影响:3 XAN*在纯乙腈(MeCN)中的吸收峰在630nm,而在[bmim][PF6]作溶剂的体系中激发态的吸收峰发生蓝移,而且纯离子液体体系中3 XAN*的产额显著增加。进一步探索离子液体对光诱导3 XAN*与萘(NAP)之间的能量转移及与N,N-二甲基苯胺(DMA)之间的电子转移的影响,结果表明:[bmim][PF6]/MeCN的二元体系中随着[bmim][PF6]浓度的增大,氧杂蒽酮与萘之间的能量转移速率减小,测得在乙腈和纯离子液体中3 XAN*与NAP之间能量转移速率常数分别为1.2×1010 mol·L-1·s-1和1.1×108 mol·L-1·s-1。     

红外吸收光谱法研究等离子体甲烷裂解规律

基于光谱吸收原理提出了利用3 391 nm He-Ne激光光源的甲烷探测方法,分析了交、直流辉光放电等离子体中甲烷裂解转化的过程和规律.探测对象选取甲烷3 390 nm附近的ν3谱带,采用单波长、双通道差分吸收探测,消除了光源不稳定及光电器件漂移等因素造成的误差影响.理论和实验表明,该方法有效地提高了系统探测的灵敏度及稳定性.     

脉冲等离子体推力器等离子体羽流的光谱研究

脉冲等离子体推力器(pulsed plasma thruster, PPT)具有体积小、重量轻、比冲高等优点,特别适合作为执行微小卫星轨道转移、阻力补偿和姿态控制等任务的推进系统。为了深入理解PPT推力产生的机理,本文对采用具有张角的舌型极板的尾部馈送式PPT等离子体羽流开展了时空分辨光谱诊断研究。通过对光谱数据的分析发现： 等离子体羽流的主要成分为C,F,C+,F+,C2+,还含有少量的由于极板烧蚀产生的Cu+和Cu2+;等离子体在放电通道内的分布不均匀,通道中心的等离子体浓度最大,靠近阳极板的等离子浓度要明显大于靠近阴极板的等离子体浓度;在不同位置处等离子体成分也具有较大差别,F+和中性粒子主要分布在靠近阳极侧的区域;通过对各个分立谱线进行多普勒线性拟合,得到了放电通道内等离子体温度信息;以中轴线靠近工质的观测点为例,对该点在整个放电过程中不同时刻的谱线进行分析,得到了该点等离子体的具体演化过程,发现在放电的不同阶段羽流成分及各组分所占比例差别较大。     

MPCVD等离子体的发射光谱研究

在2.45 GHz, 800 W微波等离子体化学气相沉积装置上,利用发射光谱对CH₄/H₂等离子体进行在线诊断,分析了等离子体中存在的基团,研究了甲烷浓度对各基团浓度及基团的空间分布的影响。结果表明：等离子体中存在CH, H_α, H_β, H_γ, C₂ 基团和Mo杂质原子,随着甲烷浓度的升高,各基团的发射光谱强度均有增加,其中C₂基团强度显著增加。CH与H_α基团的发射光谱强度比值随甲烷浓度的增加变化不大,而C₂与H_α基团的发射光谱强度的比值随甲烷浓度的增加而显著增大。另外,甲烷浓度的增加使得等离子体中各基团在空间分布的均匀性变差。