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摘 要

近年来介质阻挡放电是国内外研究的热点，在多个领域有广泛的应用，其中包括应用于分解CO₂。众所周知，CO₂化学性质稳定，常规分解CO₂的方式通常对反应条件要求苛刻，需要高温高压的条件，消耗的能量多，效率也不高。而通过介质阻挡放电发生等离子体，能够在常温常压下活化CO₂分子，重组生成CO和O₂。目前，利用DBD分解CO₂还处于实验阶段，不同的实验参数都将影响分解效率。随着研究的深入，利用DBD处理CO₂应用于工业化生产是可能的。这能在一定程度上缓解目前的温室效应问题，也是解决能源短缺的一种方式。

本文中对不同放电气隙的同轴DBD转化CO₂放电特性和分解效果上作了研究。在研究放电特性时，我们对U-I图像、Lissajous图像、发光图像和热成像图进行了比较，另外，用CO₂转化率、CO产率、CO选择性和能量效率来评价CO₂分解的效果。可以发现，2.5mm的气隙相较与4mm和5mm气隙，更有利于CO₂分解。

关键词：介质阻挡放电 CO₂ 等离子体

Influence of Discharge Gap on CO₂ Conversion Performance of Coaxial Dielectric Barrier Discharge

Abstract

In recent years, dielectric barrier discharge has been a hot topic at home and abroad. It has been widely used in many fields, including the decomposition of CO₂. As we all know,The chemical properties of CO₂ is stable. The conventional way of decomposing CO₂ is usually harsh on the reaction conditions. It needs high temperature and high pressure conditions, consumes much energy, but the efficiency is poor. Plasma generated by the dielectric barrier discharge can activate CO₂ molecules at normal temperature and pressure, and recombine CO and O₂. At present, the use of DBD to decompose CO₂ is still in the experimental stage. Different experimental parameters will affect the decomposition efficiency. With the deepening of research, it is possible to use DBD to treat CO₂ for industrial production. This can alleviate the current greenhouse effect problem to a certain extent, and it is also a way to solve the energy shortage.

In this paper, CO₂ discharge characteristics and decomposition effects of coaxial DBD in different discharge gaps are studied. In the study of the discharge characteristics, we compared the U-I image, the Lissajous image, the luminescence image, and the thermographic image in different gap. In addition, CO₂ conversion efficiency, CO yield, CO selectivity, and energy efficiency were used to evaluate the effect of CO₂ decomposition. It can be found that the 2.5mm gap is more conducive to CO₂ decomposition than the 4mm and 5mm gaps.

Keywords: dielectric barrier discharge; CO₂; plasma

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 等离子体用于分解CO₂ 1

1.3 等离子体介绍 2

1.4 等离子体分类 2

1.4.1 高温等离子体 2

1.4.2 热等离子体 2

1.4.3 低温等离子体 3

1.5 低温等离子体发生方式 3

1.5.1 电晕放电 3

1.5.2 辉光放电 3

1.5.3 介质阻挡放电 3

1.6 国内外研究现状 4

1.7 本论文主要研究内容及意义 6

第二章 实验系统及方法 7

2.1 实验原料及实验设备 7

2.1.1 气体原料 7

2.1.2 仪器设备 7

2.2 DBD反应器 7

2.3 实验流程 8

2.4 测量和诊断方法 9

2.4.1 电气特性诊断 9

2.4.2 红外热成像诊断 9

2.5 反应效果的评价指标 9

第三章 物理特性 11

3.1 2.5mm放电气隙同轴DBD放电特性 11

3.1.1 电压-电流图 11

3.1.2 Lissajous图 12

3.1.3 发光图像 12

3.1.4 温度特性 13

3.2 4mm放电气隙同轴DBD放电特性 14

3.2.1 电压-电流图 14

3.2.2 Lissajous图 14

3.2.3 发光图像 15

3.2.4 温度特性 16

3.3 5mm放电气隙同轴DBD放电特性 17

3.3.1 电压-电流图 17

3.3.2 Lissajous图 17

3.3.3 发光图像 18

3.3.4 温度特性 19

3.4 对比不同放电气隙的同轴DBD放电特性 20

3.5 本章小节 22

第四章 化学特性 23

4.1 2.5mm放电气隙同轴DBD分解CO₂研究 23

4.1.1 CO₂转化率 23

4.1.2 CO产率 23

4.1.3 CO选择性 24

4.1.4 能量效率 24

4.2 4mm放电气隙同轴DBD分解CO₂研究 25

4.2.1 CO₂转化率 25

4.2.2 CO产率 25

4.2.3 CO选择性 26

4.2.4 能量效率 26

4.3 5mm放电气隙同轴DBD分解CO₂研究 27

4.3.1 CO₂转化率 27

4.3.2 CO产率 27

4.3.3 CO选择性 28

4.3.4 能量效率 28

4.4 对比不同放电气隙化学特性 29

4.4.1 CO₂转化率 29

4.4.2 CO产率 29

4.4.3 CO选择性 30

4.4.4 能量效率 31

4.5 本章小节 31

第五章 结 论 32

参考文献 33

致谢 35

第一章 绪论

1.1 课题背景

世界经济的发展与能源联系紧密，能源不仅是经济可持续发展的最基本驱动力，也是人类赖以生存的重要物质基础。在人类文明高速进步的近200年，煤和石油是主要的推动力。迄今为止，化石能源依然是全球主要消耗的能源，在2016年，化石燃料消耗量为1.71亿吨油当量，相较2015年增幅为1%，在全球总能耗中占比高达88.2%。而化石能源的不可再生性注定在未来几十年，各类化石能源就将无法满足日益增长的消费需求，供需缺口不断扩大，将导致围绕能源资源的争夺越发紧迫。

环境问题也是人类面对的另一个挑战。众所周知，化石能源主要由碳、氢两种元素组成，此外还有硫、氮、氧等，在燃烧时会产生二氧化硫气体、氮氧化物、各种悬浮颗粒等，以及大量二氧化碳气体，带来雾霾、酸雨、温室效应和臭氧层破坏等环境灾难。根据碳计划的数据显示，从1960年到2016年，全球碳排放累计达到了12483.64亿吨，导致2016年全球平均气温比20世纪中期平均水平高出0.99摄氏度，比工业化时期前高出1.1摄氏度。有专家预测，随着温度升高，两极冰川消融，在下个世纪初，海平面就将上升129厘米，届时，全球大部分岛屿和沿海地区就将被淹没。因此，探索和研究化石能源的替代能源以及绿色可持续的能源消费路径是当前国际热点。

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