等離子體在化學(xué)化工上的應(yīng)用課件

1、等離子體在化學(xué)化工上的應(yīng)用一、對(duì)等離子體的介紹：以水為例固體 冰液體 水氣體水汽等離子體 電離氣體溫度00C1000C100000C等離子體與固體、液體、和氣體狀態(tài) 不同固體 冰液體 水氣體 水汽等離子體 電離氣體溫度00C1000C100000C這是一個(gè)能量增加的過(guò)程！需要分別克服: 分子間相互作用勢(shì)能, 表面束縛能, 原子結(jié)合能(鍵能),電離能。不是相變！ 等離子體是由電子、離子等帶電粒子以及中性粒子(原子、分子、微粒等)組成的，宏觀上呈現(xiàn)準(zhǔn)中性、且具有集體效應(yīng)的混合氣體。定義自由電荷構(gòu)成、表現(xiàn)出集體行為的準(zhǔn)中性多粒子系統(tǒng).1、等離子體的概念：含大量帶電粒子的氣體，異類(lèi)帶電粒子之間相互“自

2、由”，等離子體的基本粒子元是正負(fù)荷電的粒子（電子、離子），而不是其結(jié)合體，即非束縛態(tài)等離子體定義的要點(diǎn)：1)、對(duì)于自由的理解：與中性氣體的根本區(qū)別，是等離子體作為物質(zhì)第四態(tài)的依據(jù)。區(qū)別一種物態(tài)應(yīng)看作用于物態(tài)基本組元上的作用力，控制物態(tài)特性變化的基本作用力，對(duì)于固體，液體，氣體均有所不同。 中性氣體：粒子間的直接的碰撞作用 等離子體：電磁力，長(zhǎng)程 多體3)、對(duì)于集體效應(yīng)的理解：等離子體定義的要點(diǎn)：當(dāng)體系內(nèi)某處出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，理論上所有粒子行為都會(huì)受到影響，使整個(gè)等離子體對(duì)外加擾動(dòng)作出響應(yīng)；集體行為也會(huì)通過(guò)電磁場(chǎng)作為媒介來(lái)表現(xiàn)。等離子體中粒子的運(yùn)動(dòng)與電磁場(chǎng)（外場(chǎng)及粒子產(chǎn)生的自洽場(chǎng)）的運(yùn)動(dòng)緊密耦合， 不

3、可分割。集體效應(yīng)起主導(dǎo)作用：等離子體中相互作用的電磁力是長(zhǎng)程的。描述等離子體的行為： 粒子 + 電磁場(chǎng) 3)、對(duì)于集體效應(yīng)的理解：等離子體定義的要點(diǎn)：因此有廣闊的參數(shù)空間寬廣的研究領(lǐng)域和應(yīng)用前景!宇宙中99%的物質(zhì)都是等離子體冷等離子體TeTi, Ta熱等離子體TeTi, Ta電弧、碘鎢燈極光、日光燈電子溫度100000C1eV聚變、太陽(yáng)核心高 溫等離子體低 溫等離子體1eV11600KTi=Te=Ta=2000K-20000KTi=Ta=300K-400K.Te=3-5萬(wàn)度2、等離子體的分類(lèi)：百萬(wàn)度低溫應(yīng)用等離子體冷等離子體熱等離子體高溫應(yīng)用等離子體磁約束聚變慣性約束聚變空間和天體等離子體等

4、離子體研究領(lǐng)域3、等離子體的研究領(lǐng)域：空間和天體等離子體研究極光空間等離子體形態(tài)空間和天體等離子體研究3、射線輻照法：用各種射線（包括、和射線）或粒子束（電子束、離子束等）對(duì)氣體輻照也可產(chǎn)生等離子體。4、燃燒法：借助熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能是氣體分子中的足夠大的原子、分子相互碰撞引起電離獲得等離子體。5、沖擊波法：當(dāng)沖擊波在氣體中通過(guò)時(shí)，氣體受絕熱壓縮產(chǎn)生的高溫來(lái)獲得等離子體。極光氫彈的爆炸原子彈的爆炸三、等離子體的性質(zhì)及特點(diǎn)： 等離子體含有極活潑的化學(xué)反應(yīng)物種（如離子電子 激發(fā)態(tài)原子 分子 自由基等），其性質(zhì)與固 、液 、氣 3 態(tài)有本質(zhì)的區(qū)別，表現(xiàn)出許多特點(diǎn)，現(xiàn)詳述如下：1、電離： 等離子體存在帶正電的

5、離子和帶負(fù)電的自由電子，因而有很高的電導(dǎo)率，與電磁場(chǎng)的耦合作用也極強(qiáng)：帶電粒子可以同電場(chǎng)耦合，帶電粒子流可以和磁場(chǎng)耦合2、組成粒子：等離子體包含 23 種不同組成粒子：自由電子，帶正電的離子和未電離的原子。輕度電離的等離子體，離子溫度一般遠(yuǎn)低于電子溫度，稱之為“低溫等離子體”。高度電離的等離子體，離子溫度和電子溫度都很高，稱為“高溫等離子體”。3、速率分布 ：一般氣體的速率分布滿足麥克斯韋分布，但等離子體因?yàn)榕c電場(chǎng)的耦合，可能偏離麥克斯韋分布。5、等離子體能夠使反應(yīng)體系呈熱力學(xué)非平衡態(tài)：在輝光放電條件下，物質(zhì)只部分電離，存在大量的氣體分子。由于電子質(zhì)量遠(yuǎn)小于離子，整個(gè)體系的溫度取決于分子、離子

6、等重粒子的溫度。因此，盡管電子能量很高，可激活高能量水平的化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)器卻處于低溫。非平衡態(tài)的意義還在于克服熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)因素的相互制約。 典型的例子是靜高壓法人工合成金剛石。石墨轉(zhuǎn)變成金剛石常規(guī)方法必須提供苛刻的高溫高壓條件。若借助非平衡等離子體，情況就變得容易多了。四、等離子體在化學(xué)化工上的應(yīng)用：由于物質(zhì)第四態(tài)多樣的組成粒子，特異的反應(yīng)基礎(chǔ)過(guò)程，復(fù)雜的等離子體與固體表面相互作用，其應(yīng)用課題研究不斷開(kāi)展 以下介紹幾個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域：1、在無(wú)機(jī)合成和有機(jī)合成上的應(yīng)用： 在化學(xué)合成工藝方面，用得較多的主要有等離子體化學(xué)氣相淀積（PCVD ）和等離子體化學(xué)氣相輸運(yùn)（PCVT ）反應(yīng)性濺射、磁控濺射

7、、離子鍍等。就合成物質(zhì)的種類(lèi)、結(jié)構(gòu)和性能而言，用這些新工藝可以制備各種單質(zhì)、化合物，可以制成單晶、多晶、非晶。2、在分析化學(xué)上的應(yīng)用： 主要有等離子體光譜和有機(jī)試樣的低溫灰化法等，等離子體光譜就是典型的例子。它是以等離子體作光源的光譜分析法。等離子體是發(fā)光的，實(shí)質(zhì)上是其組成粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化時(shí)的能量躍遷，稱為等離子體輻射 根據(jù)輻射特征譜線的波長(zhǎng)和強(qiáng)度即可進(jìn)行定性定量分析。 目前用的最多的屬電感耦合高頻等離子體炬（ ICP ）。與經(jīng)典的光譜分析相比，電感耦合高頻等離子體炬有許多優(yōu)點(diǎn)：光源穩(wěn)定，再現(xiàn)性好，克服了長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)于固體標(biāo)樣的依賴；檢出限低，一般可達(dá) ppb 級(jí)；工作曲線的線性范圍廣，可達(dá)5到

8、6 個(gè)數(shù)量級(jí)；測(cè)定精度遠(yuǎn)比經(jīng)典發(fā)射光譜法高； 應(yīng)用領(lǐng)域廣，分析速度快。幾乎可分析周期表中的所有元素，還能同時(shí)進(jìn)行多元素分析。因此，ICP 已經(jīng)廣泛地用于化工、冶金、地質(zhì)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、環(huán)保、地球化學(xué)等許多領(lǐng)域，成為當(dāng)今較為理想的分析手段之一。3、在高分子科學(xué)上的應(yīng)用：等離子體技術(shù)在高分子科學(xué)上的應(yīng)用發(fā)展很快，涉及面廣，主要為以下 3 個(gè)方面：等離子體聚合；等離子體引發(fā)聚合；高分子材料的等離子體表面改性。 其中，等離子體聚合是把有機(jī)單體轉(zhuǎn)變成等離子態(tài)，產(chǎn)生各類(lèi)活性物種，再通過(guò)活性物種與單體間或活性物種相互之間發(fā)生加成反應(yīng)進(jìn)行聚合，是一種新的聚合法。該方法易于對(duì)聚合物賦予各種功能，特別適合于研制功能

9、高分子。例如電子器件傳感器用的導(dǎo)電高分子膜，集成電路用的光刻膠膜及氣體分離膜等。 等離子體引發(fā)聚合是把等離子體輻射作為能源對(duì)單體作短時(shí)間照射，然后將單體置于適當(dāng)溫度下進(jìn)行聚合，是一種不需引發(fā)劑的新聚合法，適于合成超高分子量聚合體或單晶聚合體，進(jìn)行嵌段聚合、接枝聚合、無(wú)機(jī)環(huán)狀化合物開(kāi)環(huán)聚合等。五、展望： 從化學(xué)研究的角度來(lái)看，等離子體由于存在大量的具有高活性的離子、電子、 激發(fā)態(tài)的原子、 分子和自由基等物種，研究利用這些高活性的物種進(jìn)行某些特定的化學(xué)反應(yīng)很有意義。 近些年由于現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，研究人員對(duì)激發(fā)態(tài)作用、 等離子體與固體表面間相互作用、 等離子體中各粒子化學(xué)活性的控制與利用都有了越來(lái)越深入的研究和了解，等離子體化學(xué)目前已日趨成熟 。在深入探索物質(zhì)在等離子體中化學(xué)反應(yīng)的特性和規(guī)律后，等離子體已為無(wú)機(jī)合成、 有機(jī)合成及