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1、等离子体在化学化工上的应用,一、对等离子体的介绍：,以水为例,00C,1000C,100000C,等离子体与固体、液体、和气体状态 不同,这是一个能量增加的过程！ 需要分别克服: 分子间相互作用势能, 表面束缚能, 原子结合能(键能),电离能。不是相变！,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、微粒等)组成的，宏观上呈现准中性、且具有集体效应的混合气体。,定义自由电荷构成、表现出集体行为的准中性多粒子系统.,1、等离子体的概念：,含大量带电粒子的气体，异类带电粒子之间相互“自由”，等离子体的基本粒子元是正负荷电的粒子（电子、离子），而不是其结合体，即非束缚态,等离子体定义的要
2、点：,1)、对于自由的理解：,指等离子体中正负离子数目基本相等，宏观（大尺度）呈现电中性，小尺度则呈现电磁性质,2)、对于准中性的理解：,等离子体定义的要点：,ne ni,与中性气体的根本区别，是等离子体作为物质第四态的依据。区别一种物态应看作用于物态基本组元上的作用力，控制物态特性变化的基本作用力，对于固体，液体，气体均有所不同。 中性气体：粒子间的直接的碰撞作用 等离子体：电磁力，长程 多体,3)、对于集体效应的理解：,等离子体定义的要点：,当体系内某处出现扰动时，理论上所有粒子行为都会受到影响，使整个等离子体对外加扰动作出响应； 集体行为也会通过电磁场作为媒介来表现。 等离子体中粒子的运
3、动 与电磁场（外场及粒子 产生的自洽场）的运动 紧密耦合， 不可分割。 集体效应起主导作用： 等离子体中相互作用的 电磁力是长程的。 描述等离子体的行为： 粒子 + 电磁场,3)、对于集体效应的理解：,等离子体定义的要点：,4）等离子体是物质第四态,由于它的独特行为与固态、液态、气态都截然不同，与电磁场存在强烈的耦合作用，在宇宙中广泛存在，故称之为物质第四态。,等离子体定义的要点：,因此有广阔的参数空间宽广的研究领域和应用前景!,宇宙中99%的物质都是等离子体,1eV11600K,Ti=Te=Ta= 2000K-20000K,Ti=Ta=300K-400K.,Te=3-5万度,2、等离子体的分
4、类：,百万度,3、等离子体的研究领域：,聚变等离子体研究高温应用等离子体,人类赖以生存的最主要的资源是什么？,能源,能源是推动科学、技术和经济高速发展的保障，是人类文明进步的保障。最终，能源也是人类这一物种能够生存的保障。 人类目前被束缚在小小的星球上，虽然现在人类能源的开发利用已经多元化，然而终归有枯竭的一天。,煤、石油、风、水、地热、太阳能，潮汐.,空间和天体等离子体研究,极光,空间等离子体形态,空间和天体等离子体研究,二、等离子体的产生方法：,1、气体放电法：带电离子在电场作用下获得加速动能与气体分子碰撞，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。 2、光电离法和激
5、光辐射电离：借入射光量子来使物质分子电离，只要光量子大于或等于该物质的第一激发电离能，可形成等离子体。激光辐射不仅有单光子，还有多光子和级联电离机制，可获得高温高密度等离子体。,3、射线辐照法：用各种射线（包括、和射线）或粒子束（电子束、离子束等）对气体辐照也可产生等离子体。 4、燃烧法：借助热运动动能是气体分子中的足够大的原子、分子相互碰撞引起电离获得等离子体。 5、冲击波法：当冲击波在气体中通过时，气体受绝热压缩产生的高温来获得等离子体。,极光,氢弹的爆炸,原子弹的爆炸,三、等离子体的性质及特点：,等离子体含有极活泼的化学反应物种（如离子电子 激发态原子 分子 自由基等），其性质与固 、液
6、 、气 3 态有本质的区别，表现出许多特点，现详述如下：,1、电离： 等离子体存在带正电的离子和带负电的自由电子，因而有很高的电导率，与电磁场的耦合作用也极强：带电粒子可以同电场耦合，带电粒子流可以和磁场耦合,2、组成粒子：等离子体包含 23 种不同组成粒子：自由电子，带正电的离子和未电离的原子。轻度电离的等离子体，离子温度一般远低于电子温度，称之为“低温等离子体”。高度电离的等离子体，离子温度和电子温度都很高，称为“高温等离子体”。 3、速率分布 ：一般气体的速率分布满足麦克 斯韦分布，但等离子体因为与电场的耦合，可能偏离麦克斯韦分布。,4、等离子体化学反应的能量水平很高： 在热平衡等离子体
7、中，各种粒子的温度几乎相等，约可达5*103到2*104K，如此高温既可作为热源进行高熔点金属的熔炼提纯，难熔金属、陶瓷的熔射喷涂；也可利用其中的活性物种进行各种超高温化学反应，如矿石 化合物的热分解还原、高熔点合金的制备、超高温耐热材料的合成等。由于等离子态与任何容器并非直接接触，二者之间会形成一个被破坏了电中性的薄层，因而高温不会直接传导给器壁。当然还可用电磁场来约束等离子体，加之冷却手段的运用等，即便是数万度的高温反应也易于实现。在非平衡等离子体中也能进行高能量水平的化学反应这时反应主要靠电子动能来激发，电子动能大多为110 eV；若折算成温度，则电子温度高达 104105K，而离子温度
8、不过几百度乃至接近室温。,5、等离子体能够使反应体系呈热力学非平衡态：在辉光放电条件下，物质只部分电离，存在大量的气体分子。由于电子质量远小于离子，整个体系的温度取决于分子、离子等重粒子的温度。因此，尽管电子能量很高，可激活高能量水平的化学反应，反应器却处于低温。非平衡态的意义还在于克服热力学与动力学因素的相互制约。 典型的例子是静高压法人工合成金刚石。石墨转变成金刚石常规方法必须提供苛刻的高温高压条件。若借助非平衡等离子体，情况就变得容易多了。,四、等离子体在化学化工上的应用：,由于物质第四态多样的组成粒子，特异的反应 基础过程，复杂的等离子体与固体表面相互作用，其应用课题研究不断开展 以下
9、介绍几个主要应用领域： 1、在无机合成和有机合成上的应用： 在化学合成工艺方面，用得较多的主要有等离子体化学气相淀积（PCVD ）和等离子体化学气相输运（PCVT ）反应性溅射、磁控溅射、离子镀等。就合成物质的种类、结构和性能而言，用这些新工艺可以制备各种单质、化合物，可以制成单晶、多晶、非晶。,应用该原理可人工合成金刚石薄膜, 其硬度与自然界中的金刚石相同 同样原理还可较容易得到硅SiO2 、SiC、Si3N4 和磷硅玻璃等特种薄膜 与化学燃烧相比，等离子体法获得的高温、加热速率可提高10 倍, 从而使化学反应在极短时间内完成。等离子体中原子状的氢、氧、氮能与有机化合物反应，生成相应的氢化物
10、、氧化物和氮化物等。 由于等离子体化学反应过程能耗低、效率高选择性高的特点，等离子体技术在催化反应中得到了广泛的应用。,2、在分析化学上的应用： 主要有等离子体光 谱和有机试样的低温灰化法等，等离子体光谱就是 典型的例子。它是以等离子体作光源的光谱分析法。 等离子体是发光的，实质上是其组成粒子运动状态 变化时的能量跃迁，称为等离子体辐射 根据辐射 特征谱线的波长和强度即可进行定性定量分析。,目前用的最多的属电感耦合高频等离子体炬（ ICP ）。与经典的光谱分析相比，电感耦合高频等离子体炬有许多优点：光源稳定，再现性好，克服了长期以来对于固体标样的依赖；检出限低，一般可达 ppb 级；工作曲线的
11、线性范围广，可达5到6 个数量级；测定精度远比经典发射光谱法高；,应用领域广，分析速度快。几乎可分析周期表中的所有元素，还能同时进行多元素分析。因此，ICP 已经广泛地用于化工、冶金、地质、农业、医学、环保、地球化学等许多领域，成为当今较为理想的分析手段之一。 3、在高分子科学上的应用：等离子体技术在高分子科学上的应用发展很快，涉及面广，主要为以下 3 个方面：等离子体聚合；等离子体引发聚合；高分子材料的等离子体表面改性。,其中，等离子体聚合是把有机单体转变成等离子态，产生各类活性物种，再通过活性物种与单体间或活性物种相互之间发生加成反应进行聚合，是一种新的聚合法。该方法易于对聚合物赋予各种功
12、能，特别适合于研制功能高分子。例如电子器件传感器用的导电高分子膜，集成电路用的光刻胶膜及气体分离膜等。 等离子体引发聚合是把等离子体辐射作为能源对单体作短时间照射，然后将单体置于适当温度下进行聚合，是一种不需引发剂的新聚合法，适于合成超高分子量聚合体或单晶聚合体，进行嵌段聚合、接枝聚合、无机环状化合物开环聚合等。,五、展望：,从化学研究的角度来看，等离子体由于存在大量的具有高活性的离子、电子、 激发态的原子、 分子和自由基等物种，研究利用这些高活性的物种进行某些特定的化学反应很有意义。 近些年由于现代测试技术的发展，研究人员对激发态作用、 等离子体与固体表面间相互作用、 等离子体中各粒子化学活性的控制与利用都有了越来越深入的研究和了解，等离子体化学目前已日趋成熟 。在深入探索物质在等离子体中化学反应的特性和规律后，等离子体已为无机合成、 有机合成及高分子合成等方面研究开辟了新的领域。,此外，对于化学稳定性强的分子，常规催化反应存在反应温度高 、催化剂易失活等问题，在短时间内很难有突破性进展 。等离子体催化反应为解决这些问题提供了一种非常规方法，因而必将在上述领域得到广泛地研究和应用，从而必将推动化学化工技术的飞跃发展。,Thanks!,
