Warum ein Plasmastrom chemische Reaktionen effizienter macht

Ein Hauch von Plasma, kombiniert mit einem nanogroßen Katalysator, kann dazu führen, dass chemische Reaktionen schneller, selektiver, bei niedrigeren Temperaturen oder bei niedrigeren Spannungen ablaufen als ohne Plasma – und niemand weiß wirklich warum.

Juliusz Kruszelnicki von der University of Michigan untersuchte mit Hilfe von Computermodellen die Wechselwirkungen zwischen Plasmen und Metallkatalysatoren, die in Keramikkugeln in einem Schüttbettreaktor eingebettet sind. Er entdeckte, dass die Metalle, Perlen und das Gas zusammen ein Plasma erzeugen, das elektrische Felder verstärkt und den Katalysator lokal erwärmt, was dann die Reaktionen beschleunigen kann.

Kruszelnicki wird über diese Arbeit auf der 71. Annual Gaseous Electronics Conference der American Physical Society und dem 60. Annual Meeting der APS Division of Plasma Physics sprechen, das nächste Woche, vom 5. bis 9. November, im Oregon Convention Center in Portland stattfinden wird.

Diese Plasmareaktoren haben ein enormes Potenzial, wertvolle chemische Prozesse effizienter und kostengünstiger zu gestalten, wie z.B. die Entfernung von Luftverschmutzung, die Umwandlung von Kohlendioxid in Brennstoffe und die Herstellung von Ammoniak für Düngemittel durch „plasmachemische Umwandlung“.

„Die Kombination von thermokatalytischen Systemen und Plasmen eröffnet neue Möglichkeiten, chemische Produkte herzustellen, die man sonst vielleicht nicht oder nur mit höherer Effizienz herstellen kann“, sagte Kruszelnicki.

Kruszelnicki modellierte die Wechselwirkungen von Plasma und Katalysatoren mit Hilfe fortschrittlicher multiphysikalischer Codes, die im Labor von Mark J. Kushner an der University of Michigan entwickelt wurden. Dazu gehören Module für Phänomene wie Elektromagnetik, Oberflächenchemie, Strömungslehre und chemische Kinetik. Er modellierte einen Füllschichtreaktor, bei dem ein mit Keramikperlen gefülltes Rohr mit einem elektrischen Strom durch konzentrische Elektroden geleitet wird. Wenn sich Gase durch den Reaktor bewegen, bewirken Katalysatoren, dass sie auf bestimmte Weise reagieren, wie z.B. die Kombination von Stickstoff und Wasserstoff zur Erzeugung von Ammoniak.

Kruszelnicki fand heraus, dass, wenn die Perlen mit metallischen Katalysatorpartikeln eingebettet und dann elektrifiziert werden, eine Feldemission von Elektronen stattfindet, was eine höhere Dichte des Plasmas ermöglicht. Das Plasma erwärmt den Katalysator, was dazu führen kann, dass die chemische Reaktion schneller und effizienter abläuft und die für die Reaktion erforderliche Leistung möglicherweise sinkt.

„Durch diesen Prozess der Lokalisierung des elektrischen Feldes können Elektronen von der Oberfläche der Metallteilchen emittiert werden und ein Plasma starten, wo es sonst nicht auftreten würde“, sagte Kruszelnicki.

Durch die Simulation der Niedertemperatur-Plasmachemie entdecken Kruszelnicki und andere Mitglieder des Kushner-Labors neue Wege, wie Plasma und Katalysatoren zusammenarbeiten, um die chemische Umwandlung im Plasma effizienter zu gestalten als die traditionelle chemische Umwandlung. Derzeit arbeiten sie mit dem Industry-University Cooperative Research Centers Program der National Science Foundation zusammen, um mit Unternehmen zusammenzuarbeiten, um diese Forschung für den Einsatz in der Industrie zu übersetzen. Sie hoffen auch, dass diese effizienteren Prozesse mit netzfernen Anwendungen kompatibel sind, wie z.B. der Herstellung von Düngemitteln für Subsistenzbauern, die Solarstrom nutzen.

Mehr Informationen:
Präsentation #ET4.3, „Elektrische Feldemission und lokale Oberflächenerwärmung in Plasma-Schüttbettreaktoren mit metallkatalysatorimprägnierten dielektrischen Perlen“, von Juliusz Kruszelnicki, findet Dienstag, 6. November, 10:15 Uhr im Oregon Convention Center Room A107-A109 statt. Zusammenfassung: Meetings.aps.org/Meeting/GEC18/Session/ET4.3

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