等离子体化学及其的应用教材共80页
等离子体及其在环境中的应用(共28张PPT)
正、负电晕放电随电压(diànyā)变化的图像
5 mm
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5 mm
介质阻挡 放电（ (zǔdǎng) DBD)
• 也叫无声放电。结合(jiéhé)了辉光放电和电晕放电的优点，可以在大气压 条件下产生大面积低温等离子体[32]，且体系温度与活性粒子的密度 均适中。将绝缘介质插入两个电极之间，防止电极的直接击穿形成 火花弧光放电，从而形成均匀稳定的大面积等离子体。
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电除尘
• 电除尘器是利用电晕放电产生的大量离子(lízǐ)使得粒子荷电，并使荷电 粒子在电场力的驱动下移向集尘板，从而将微粒从气流中分离出来的 装置。用电除尘的方法分离、捕集气体中的尘粒。
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空气净化
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臭氧 发生器 (chòuyǎng)
• 臭氧(chòuyǎng)是一种氧化和杀菌性能极高的氧化剂，被广泛用于食品加工存 储与保鲜、医疗卫生及餐具消毒和水处理等行业。臭氧(chòuyǎng)易分解为氧， 不便于收集贮存，必须在常温或低温下现场生产。臭氧(chòuyǎng)的主要生产
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Influent gas
NTP/Catalyst
Effluent gas
Influent gas
NTP
Catalyst
Effluent gas
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高压 放电水处理 (gāoyā)
• 水下高压放电是在由尖端电极极不均匀电场中产生的。还可向溶液通 入气体，促进局部放电和等离子体通道的形成、增加活性物质数量， 从而处理(chǔlǐ)难降解有机废水和水体消毒灭菌。
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辉光 放电 (huī ɡuānɡ)
等离子体化学
• （7）光电离法和激光辐射电离。借入射光子的能 光电离法和激光辐射电离。 光电离法和激光辐射电离 量来使某物质的分子电离以形成等离子体， 量来使某物质的分子电离以形成等离子体，条件 是光子能量必须大于或等于该物质的第一电离能， 是光子能量必须大于或等于该物质的第一电离能 例如，碱金属铯的第一电离能最小，只需要用近 紫外光源照射就可产生铯等离子体。激光辐射电 激光辐射电 离本质上也属于光电离， 离本质上也属于光电离，但其电离机制和所得结 果与普通的光电离法不大相同。 果与普通的光电离法不大相同。不仅有单光子电 还有多光子电离，和级联电离机制等。 离，还有多光子电离，和级联电离机制等。就多 光子电离而言，是同时吸收许多个光子使某物质 的原子或分子电离的。
• 等离子体现象和其应用： • 在大气的外层，由于太阳和宇宙射线的作用，形 成一层电离层，就是等离子体，使得无线电波的 远距离传送得以可能； • 闪电也能形成瞬间等离子体； • 日光灯是利用等离子体的辐射特性而研制的，它 具有发光柔和，节能等特点； • 等离子体显示器技术。传统的显示器包括显像管 和液晶显示器，两者在独具优点的同时，又各有 缺陷或局限，难以满足显示技术的新需求。等离 子体显示器的诞生，为显示技术开辟了一个新的 天地。它们的优点是体积小、重量轻、图像清晰， 可制成超薄平板式等，并可突破传统的显像管和 液晶显示这样分明的界限，实现两者的融合贯通。
• 低温等离子体(Non一thermalequilibriumPlasma) 是指体系中电子的温度远高于体系中其它粒子温 度的等离子体，其中一个重要特点是非平衡性。 在低温等离子体中，电子温度一般要高达数万度， 而其他粒子的温度只有300~500K。低温等离子体 的这种非平衡性一方面使电子有足够高的能量激 发、离解和电离反应物分子；另一方面又让反应 体系保持低温乃至接近室温。这样一来不仅设备 投资少、省能源，而且所进行的反应具有非平衡 态的特色。因此是现阶段人们研究的重要领域。
等离子体及其技术应用
等离子体及其技术应用生化系化学教育姓名：蒋敏学号：20101420摘要：通过介绍等离子体的概念、分类、特性、原理及其在化学工业、材料工业、电子工业、能源方面和机械工业、国防工业、生物医学及环境保护方面的技术应用。
关键词：等离子体、概念、特性、原理、应用前言：等离子体是宇宙中物质存在的一种状态。
物质除固、液、气三态外，还有第四种状态即等离子态。
所谓等离子体就是气体在外力作用下发生电离，产生电荷相反、数量相等的电子和正离子以及游离基(电子、离子和游离基之间又可复合成原子和分子)，由于在宏观上呈中性，故称之为等离子体。
处于等离于态的各种物质微粒具有较强的化学活性，在一定的条件下可获得较完全的化学反应，物质的各态之间是可以相互转化的。
1. 等离子体等离子体是由电子、离子等带电粒子以及中性粒子(原子、分子、微料等)组成的, 宏观上呈现准中性, 且具有集体效应的混合气体。
所谓准中性是指在等离子体中的正负离子数目基本相等, 系统在宏观上呈现中性, 但在小尺度上则呈现出电磁性, 而集体效应则突出地反映了等离子体与中性气体的区别。
1.1等离子体的含义由电子、离子和中性粒子三种成分组成。
其中电子和离子的电荷总数基本相等，因而作为整体是电中性的。
等离子体是由大量带电粒子组成的有宏观空间尺度和时间尺度的体系。
1.2等离子体的产生对液体加热使之温度升高，可以使它转化为气体。
在通常的气体中，物质的最小单元是分子。
如果对气体再加热使气体温度升高时，分子会分解成单个原子，这种以原子为基本单元而组成的气体叫做原子气体。
使原子气体的温度再升高，原子运动的速度增大。
通过相互碰撞使之电离出自由电子和阳离子，当许多原子被电离之后，会形成一个电离过程、电离成的离子与电子复合成中性微粒过程之间的动态平衡，因此在宏观上存在着大量不变的各种离子和电子，形成等离子状态。
除了高温下微粒通过碰撞发生电离之外，产生等离子体的方法很多，常用的产生等离子体的方法主要有以下几种：1.1.1气体放电法在电场作用下获得加速动能的带电粒子与气体分子碰撞、加之阴极二次电子发射等机制的作用，导致气体击穿放电而形成等离子体。
等离子体化学及其应用
SAHA 方程 在仅含单种气体的完全平衡和局域热力学平 衡等离子体中存在着电离平衡: A ↔ A+ + e SAHA推导出如下方程:
a2/(1-a2) =
2.4×10 - 4 (T 5/2/P ) exp(-wi /kT)
P 气压 (Torr) T 绝对温度 ( °K) wi 气体分子（原子）电离电位 ( eV) k Boltzman常数 (8.614×10-5 eV•deg-1)
低温等离子体的产生方式
1. 气体放电 等离子体 （电场作用加速荷电粒子导致电离） 1）低气压放电：直流 辉光放电 高频放电 （微波、射频） 2）高气压放电：直流 弧光放电 (~LTE) 电晕放电 (NTE) 介质阻挡放电 (NTE) 2. 热致电离等离子体 (高平动能原子、分子碰撞导致电离) 高温燃烧、爆炸、击波 3. 辐射电离等离子体 （光电离） X气相沉积（PECVD)制备各种 新型材料 （金刚石，类金刚石，碳纳米管，……)
2H2 + O2
lth = 495 nm
等离子体分类
(一) 按存在分类 1). 天然等离子体 宇宙中99%的物质是以等离子体状态 存在的, 如恒星星系、星云，地球附近的闪 电、极光、电离层等。如太阳本身就是一 个灼热的等离子体火球。 2). 人工等离子体 如：*日光灯、霓虹灯中的放电等离子体。 *等离子体炬（焊接、新材料制备、 消除污染）中的电弧放电等离子体。 *气体激光器及各种气体放电中的电 离气体。
[清华 王新新, 大工 王德真等, 国自重点基金(~2004-2007)]
二.等离子体化学的主要应用及若干最新进展
1. 大规模集成电路制备中的等离子体化学刻蚀与 沉积 (已大规模工业应用） 2. 等离子体平面显示器 (PDP) (已进入规模生产阶段） 3. 等离子体化工合成及转化 （O3发生器，已工业化半
等离子体在化学化工上的应用
详细描述
等离子体表面改性技术具有操作简便 、效果显著、环保无污染等特点，可 广泛应用于材料表面改性、表面清洗 、表面刻蚀等领域。
等离子体合成新材料
总结词
等离子体合成新材料是指利用等离子体作为能量源，通过物理或化学反应合成 新型材料的过程。
等离子体能够产生高温和高浓度活性 物种，促进反应物分子之间的碰撞和 能量交换，加速热量和质量的传递。
等离子体促进化学反应速率
等离子体能够提供高能电子和活性粒子，促进化学键的断裂和重组，从而加速化学 反应速率。
等离子体中的高能电子可以与气体分子发生碰撞，产生大量的自由基和激发态分子， 这些活性物种能够与反应物分子发生反应，促进化学反应的进行。
详细描述
等离子体合成新材料技术具有ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ效、环保、可控等优点，可广泛应用于合成陶 瓷、金属合金、复合材料等领域。
03
等离子体在化工过程中的应用
等离子体强化传热传质
传热传质是化学反应过程中的重要环 节，等离子体通过产生高能粒子和活 性物质，能够强化传热传质过程，提 高反应效率。
等离子体强化传热传质技术可以应用 于多种化工过程，如燃烧、热解、合 成等，有助于提高产物的产率和纯度。
等离子体与其他技术的集成应用
总结词
将等离子体技术与其它技术相结合，可以拓展其在化学化工 领域的应用范围。
详细描述
例如，将等离子体技术与催化剂结合，形成等离子体催化技 术。这种技术可以用于处理有毒有害气体，提高化工产品的 选择性。此外，等离子体还可与膜技术、光催化等技术集成 ，形成具有多重功能的处理方法。
通过等离子体技术，可以降低化学反应的温度和压力要求，提高反应效率，减少能 耗和污染。
等离子体化学-2
解得： v m1 m 2 v 1 1 m 2 m1 2m1 v v2 m1 m 2 则碰后粒子的动能：
2
m1 m2 1 2 m2 v 2 2 v 2 1 2 m1 m2
2
2
碰前粒子动能：
1 2 1 m1v1 2
2 4
第二章 低温等离子体 中的基础过程
2.1等离子体中的碰撞
等离子体是多组元弱相互作用粒子的集合 体.任何等离子体化学反应都涉及碰撞过程 .正 是由于碰撞中的能量转移改变着粒子的化学 活性，影响着反应过程。下面从能量转换的 角度概述。 2.1.1等离子体中的能量流 1.特征：电子温度数个ev，等离子体密度： 109 ~ 1012 cm3 P43图2.1等离子体中的能量流
结论：即电子在能量转换中所起作用 非常重要。
⑵能态与激励
i) 、原子的能态与激励: ①基态：原子一般处于稳定的状态，即 电子在各自的稳定的轨道上运动即处于基 态。 ②激发态：原子受到光照或变速电子碰 撞等激励时，电子跃迁到高能级上为激发 态。③消激发：激发态的原子是不稳定的， 一般只能存在约10-8秒，随即跃迁到低能 级，把多余的能量与以发光的形式放出 来。为消激发：
E 2 E1 E 2 E1 v h h h
波数：
v E2 E1 ~ v c hc hc
④亚稳态：受“选择定则”限制，通 过光辐射直接向基态跃迁的能级为亚稳 态。P48 寿命: 104 ~ 102 s
③各类反应的几率：发生某特定之发应 过程的几率便可直接用发应过程截面与 总截面之比表示： a:激发几率 b:电离几率
ex Pex x
i Pi t
⑷碰撞频率和平均自由程：
等离子体的基本原理及其应用
等离子体的基本原理及其应用等离子体是一种凝聚态物理学研究中非常重要的物质形态，它由气体中的原子或分子失去或获得电子而形成。
等离子体的特殊性质使得它在许多领域都有广泛的应用，如光源、半导体加工、环境治理、医疗等等。
本文将对等离子体的基本原理及其应用进行深入分析。
一、等离子体的基本原理等离子体是一种介于气体与固体之间的凝聚态物质，存在于宇宙空间、雷电中、火焰、太阳等自然界环境中。
等离子体的产生需要提供动能，将气体原子或分子的电子从静止状态下加速到较高的能级，使其达到或超过离散能级，从而成为游离电子并与大量残留的正离子一起形成等离子体。
等离子体的形成常见的方式有电离、放电和热电离等。
其中最常见的方式是放电，即在两个电极间加上外加电压，使气体中的原子或分子获得足够的能量而成为游离电子。
此外，一些高温加工过程，如等离子体喷涂、等离子体切割和等离子体聚变等，也可以产生等离子体。
等离子体的特性主要取决于普通气体电离与放电的过程。
普通气体电离分为热电离、电子撞击电离和光电电离，而等离子体的放电过程主要由阻性放电、电弧放电、辉光放电和微波放电等组成。
等离子体的性质主要与等离子体中的电磁场、游离电子和正离子、光和辐射等相关。
等离子体中的电磁场可以分为D.C.电场、A.C.电场、射频场、微波场等。
在不同场的作用下，等离子体的性质和特性也会发生变化。
二、等离子体的应用等离子体的应用广泛，涵盖了多个领域，下面我们来简单介绍一下。
1. 环境治理等离子体可以清理空气中的有害物质，如二氧化硫、臭氧、挥发性有机物和氮氧化物等。
它通过电化学氧化、紫外线辐射、电化学降解等多种方式进行环境污染物的分解或降解，是一种较为环保、高效的净化技术。
2. 医疗等离子体在医学上的应用主要包括等离子体切割、等离子体凝固、等离子体喷涂和等离子体杀菌等。
例如，等离子体切割可减少创伤面积和出血量，降低手术风险，等离子体凝固可以用于血管切开、肝脏切开和肺部手术等。
等离子体-第一部分
等离子体化工导论讲义前言等离子体化工是利用气体放电的方式产生等离子体作为化学性生产手段的一门科学。
因其在原理与应用方面都与传统的化学方法有着完全不同的规律而引起广泛的兴趣，自20世纪70年代以来该学科迅速发展，已经成为人们十分关注的新兴科学领域之一。
特别是，近年来低温等离子体技术以迅猛的势头在化工合成、材料制备、环境保护、集成电路制造等许多领域得到研究和应用，使其成为具有全球影响的重要科学与工程。
例如：先进的等离子体刻蚀设备已成为21世纪目标为0.1μm线宽的集成电路芯片唯一的选择，利用等离子体增强化学气相沉积方法制备无缺陷、附着力大的高品位薄膜将会使微电子学系统设计发生一场技术革命，低温等离子体对废水和废气的处理正在向实际应用阶段过渡，农作物、微生物利用等离子体正在不断培育出新的品种，利用等离子体技术对大分子链实现嫁接和裁剪、利用等离子体实现煤的洁净和生产多种化工原料的煤化工新技术正在发展。
可以说，在不久的将来，低温等离子体技术将在国民经济各个领域产生不可估量的作用。
但是，与应用研究的发展相比，被称为年轻科学的等离子体化学的基础理论研究缓慢而且较薄弱，其理论和方法都未达到成熟的地步。
例如，其中的化学反应是经过何种历程进行，活性基团如何产生等等。
因此，本课程力求介绍这些方面的一些基础理论、研究方法、最新研究成果以及应用工艺。
课程内容安排：1、等离子体的基本概念2、统计物理初步3、等离子体中的能量传递和等离子体的性质4、气体放电原理及其产生方法5、冷等离子体中的化学过程及研究方法6、热等离子体中的化学过程及研究方法7、当前等离子体的研究热点8、等离子体的几种工业应用学习方法：1、加强大学物理和物理化学的知识2、仔细作好课堂笔记，完成规定作业3、大量阅读参考书和科技文献第一章等离子体的概念1．等离子体的定义a．通过气体放电的形式，将电场的能量传递给气体体系，使之发生电离过程，当电离程度达到一定的时候，这种物质的状态就是等离子体状态。