CO2 플라즈마 해리 및 가치화 연구를 위한 수냉식 고전력 유전체 장벽 방전 반응기

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 7394(2023) 이 기사 인용

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탈탄소화 연구와 수소 연구의 틀에서 이산화탄소의 에너지 효율적인 사용과 가치화를 목표로 새로운 유전체 장벽 방전(DBD) 반응기가 설계, 제작 및 개발되었습니다. 수냉식 전극을 갖춘 이 테스트 장비는 장치당 20W에서 2kW까지 넓은 범위에서 플라즈마 전력을 조정할 수 있습니다. 반응기는 낮은 압력에서 중간 정도의 높은 압력(0.05~2bar)을 포함하여 광범위한 플라즈마 조건 및 공정을 목표로 하는 촉매 및 막 통합에 대비하도록 설계되었습니다. 이 논문에서는 순수하고 불활성이며 비활성 기체 혼합물 흐름에서 CO2가 O2와 CO로 높은 흡열 해리에 대한 예비 연구가 제시됩니다. 이러한 초기 실험은 40cm3의 챔버 체적에서 3mm 플라즈마 갭을 갖는 형상에서 수행되었으며, 여기서 공정 압력은 순수 CO2를 사용하고 N2로 희석하여 200mbar에서 1bar까지 다양했습니다. 초기 결과는 반응기 시스템의 하류에서 측정된 해리 생성물의 전환율(최대 60%)과 에너지 효율(최대 35%) 사이의 잘 알려진 균형을 확인했습니다. 전환율, 에너지 효율성 및 균형 곡선을 개선하려면 플라즈마 작동 매개변수(예: 가스 흐름 및 시스템 구조)를 조정하면 더욱 효과적으로 달성할 수 있습니다. 고출력 수냉식 플라즈마 반응기와 전자 및 파형 진단, 광학 방출 및 질량 분석기를 결합하면 빠른 전력 과도 및 서지의 화학적 저장에 대한 연구를 위한 편리한 실험 프레임워크를 제공하는 것으로 나타났습니다.

화산에서 자연-생물학에 이르기까지 인간 활동 및 자연 과정과 관련된 에너지 순환과 관련된 가스를 대규모로 에너지 효율적으로 처리하는 것은 인간 기술의 역사적 목표인 동시에 여러 과학적, 다학문적 과제를 제기합니다. 실제로 H2, H2O, O2, CO2, CO, N2, NH3, CH4 및 고급 탄화수소 사이의 화학적 기상 변환은 지구 표면에서 자연 및 인간 관련 과정의 에너지 교환과 온실가스 배출의 가장 큰 부분을 차지합니다. 분위기.

유비쿼터스 산화 연소를 제외하고 이러한 대규모 행성 시스템을 방해하는 기술적 타당성을 넘어 기초 과학부터 에너지 저장 및 변환에 대한 기술적 세부 사항까지 실용적인 지식을 얻는 것은 모든 "생태적 전환"을 암시하지 않는 필수 전제입니다. 지구상의 인간 (생명과) 건강이 급격히 감소합니다.

대규모 에너지 저장을 구현하기 위해 CO2 플라즈마 해리를 사용하는 개념은 주로 Legasov 그룹1에 의해 70년대 후반에 개발되었습니다. 당시 문제는 야간 시간 동안 원자력 에너지의 풍부한 가용성이었고, 다음과 같이 CO2 플라즈마 해리, CO/O2 분리, CO와 물의 H2(및 CO2)로의 하류 반응에 의해 수소가 생산될 수 있다고 제안되었습니다. 물 전기 분해의 대안. 플라즈마 전력 시스템의 매우 빠른 응답 시간으로 인해 동일한 개념이 재생 가능한 전기 에너지 과도 및 서지에 적용되어 H2에 폐쇄 루프 "전력 대 가스" 에너지 저장 체계를 구현하는 데 매력적입니다. 또한, 동일한 플랜트에 H2와 CO가 동시에 존재한다는 것은 전기 재생 가능 가용성 및 예측, 전기 연료(e-연료라고도 함)를 생산하기 위한 그리드 및 연료 요구 사항에 따라 "개방 루프" 반응 경로가 편리해질 수 있음을 시사합니다.

실제로, 실험실 규모에서 이러한 초기 연구는 마이크로파 여기 플라즈마에서 최적화된 가스 압력, 전자 밀도 및 전자 에너지에 대해 아음속의 경우 80%, 초음속 흐름의 경우 90%라는 높은 해리 에너지 효율을 발견하고 보고했습니다2. 반대로 고주파수(100kHz 범위의 HF) 구동 유전체 장벽 방전(DBD) 플라즈마3는 저비용, 높은 전기 드라이버 효율성(예: 벽 플라즈마 플러그), 저비용 구성 요소를 갖춘 높은 평균 전력 구동기, MW 매칭 네트워크 회피, 산업 규모로의 확장(오존 발생기의 경우5). 직류 글로우 방전6과 달리 DBD 플라즈마는 사이클당 제한된 전하를 주입하여 전극 표면의 열 폭주를 본질적으로 방지하므로 고압(예: 대기압 이상7)에서 쉽게 안정화됩니다. 그림 1에서는 전하가 내부 벽 유전체 표면에 용량적으로 유도되어 내부 표면을 따라 이동함에 따라 가스가 채워진 유전체 벽 인클로저에 인가되는 교번 고전압에 의해 가스 파괴가 유도되는 DBD 플라즈마의 구성을 보여줍니다. 표면 방전) 및 갭을 가로질러(가스 방전).