微波等離子體產(chǎn)生及甲烷制氫應(yīng)用初探.pdf

1、微波等離子體以其高電離度、高電子溫度和電子密度、適用壓強(qiáng)范圍寬、無內(nèi)部電極污染等優(yōu)點(diǎn)在等離子體材料表面處理、薄膜制備、化學(xué)氣相沉積、刻蝕以及甲烷轉(zhuǎn)化制氫等領(lǐng)域展現(xiàn)出了卓越的應(yīng)用潛力。與直流放電、交流放電和高頻放電產(chǎn)生等離子體方法不同,微波放電不能簡單地通過普通的電路傳遞能量,必須依靠波導(dǎo)元件將微波能量傳遞并耦合到反應(yīng)器中產(chǎn)生等離子體。然而,由于目前向等離子體反應(yīng)器內(nèi)高效傳遞微波能量的耦合技術(shù)還不成熟,對(duì)微波等離子體特性也缺乏了解,加之缺

2、少千瓦級(jí)以上的微波等離子體化學(xué)反應(yīng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),致使許多基于高功率微波等離子體化學(xué)反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究難以進(jìn)行,嚴(yán)重地阻礙了微波等離子體化學(xué)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。因此,建立一套高功率微波等離子體發(fā)生實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并在此基礎(chǔ)上開展微波等離子體放電特性研究及應(yīng)用技術(shù)探索已變得非常必要。
　　 本文基于電磁場理論,成功地建立了一套微波頻率為2.45GHz,主模為TE10模的3kW微波等離子體發(fā)生系統(tǒng)。該系統(tǒng)由微波發(fā)生單元、等離子體反應(yīng)器、真空抽氣單元、冷

3、卻單元和等離子體診斷單元五部分組成,可在微波功率0～3kW、工作氣壓100Pa～100kPa范圍內(nèi)完成微波等離子體產(chǎn)生、特性及其應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)研究,是目前國內(nèi)少有的專門用于大功率微波等離子體研究的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
　　 采用垂直和45°角反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)研究了微波等離子體的放電特性,結(jié)果發(fā)現(xiàn)微波電場的最大值出現(xiàn)在微波諧振腔1／4波導(dǎo)波長處,在該處微波等離子體反應(yīng)器插入的角度對(duì)微波等離子體激發(fā)出的活性物種種類沒有影響,但垂直反應(yīng)器的發(fā)射光譜強(qiáng)度相

4、對(duì)較強(qiáng),說明垂直反應(yīng)器中產(chǎn)生的活性粒子密度相對(duì)較高；在100～1000Pa的工作氣壓下、微波輸入功率僅為150～500W,微波等離子體的電子溫度就高達(dá)6eV以上,電子密度可達(dá)1017／m3以上,隨著微波注入功率的增加和氣壓的降低電子密度甚至超過1018／m3。
　　 以甲烷為反應(yīng)氣體,在垂直微波等離子體反應(yīng)器中對(duì)微波等離子體甲烷制氫方法進(jìn)行了初步探討,結(jié)果發(fā)現(xiàn)甲烷等離子體反應(yīng)產(chǎn)物中有CH、C、C2、Hα、Hβ等產(chǎn)物的生成,并且氫