Een vleugje plasma, in combinatie met een katalysator van nanoformaat, kunnen chemische reacties sneller verlopen, selectiever, bij lagere temperaturen, of bij lagere spanningen dan zonder plasma - en niemand weet precies waarom.

Met behulp van computermodellering, Juliusz Kruszelnicki van de Universiteit van Michigan onderzocht de interacties tussen plasma's en metaalkatalysatoren ingebed in keramische kralen in een gepakt-bedreactor. Hij ontdekte dat samen, de metalen, kralen en gas creëren plasma dat elektrische velden intensiveert en plaatselijk de katalysator verwarmt, die vervolgens reacties kunnen versnellen.

Kruszelnicki zal over dit werk praten op de 71e jaarlijkse Gaseous Electronics Conference van de American Physical Society en de 60e jaarlijkse bijeenkomst van de APS Division of Plasma Physics, die volgende week zal plaatsvinden, 5-9 november in het Oregon Convention Center in Portland.

Deze plasmareactoren hebben een enorm potentieel om waardevolle chemische processen efficiënter en kosteneffectiever te maken, zoals het verwijderen van luchtvervuiling, kooldioxide omzetten in brandstoffen en ammoniak produceren voor kunstmest, door middel van "plasmachemische conversie".

"Het combineren van thermokatalytische systemen en plasma's biedt nieuwe mogelijkheden om chemische producten te produceren die u anders misschien niet zou kunnen, of misschien om dit met een hogere efficiëntie te doen, ' zei Kruszelnicki.

Kruszelnicki heeft de interacties van plasma en katalysatoren gemodelleerd met behulp van geavanceerde multifysische codes die zijn ontwikkeld in het laboratorium van Mark J. Kushner aan de Universiteit van Michigan. Deze omvatten modules voor fenomenen zoals elektromagnetisme, oppervlaktechemie, vloeistofdynamica en chemische kinetiek. Hij modelleerde een gepakt bed reactor, dat is een buis gevuld met keramische kralen, met een elektrische stroom die door concentrische elektroden gaat. Wanneer gassen door de reactor bewegen, katalysatoren zorgen ervoor dat ze op specifieke manieren reageren, zoals het combineren van stikstof en waterstof om ammoniak te genereren.

Kruszelnicki ontdekte dat wanneer de kralen worden ingebed met metalen katalysatordeeltjes en vervolgens worden geëlektrificeerd, veldemissie van elektronen vindt plaats, die hogere dichtheden van plasma mogelijk maakt. Het plasma verwarmt de katalysator, waardoor de chemische reactie sneller en efficiënter kan verlopen, mogelijk het verlagen van het toegepaste vermogen dat nodig is voor de reactie.

"Door dit proces van het lokaliseren van het elektrische veld, elektronen kunnen worden uitgezonden vanaf het oppervlak van de metaaldeeltjes en een plasma starten, waar het anders niet zou gebeuren, ' zei Kruszelnicki.

Door plasmachemie bij lage temperatuur te simuleren, Kruszelnicki en andere leden van het Kushner-lab ontdekken nieuwe manieren waarop plasma en katalysatoren samenwerken om de chemische omzetting van plasma efficiënter te maken dan de traditionele chemische omzetting. Momenteel werken ze samen met het Industry-University Cooperative Research Centers-programma van de National Science Foundation om samen te werken met bedrijven om dit onderzoek te vertalen voor gebruik in de industrie. Ze hopen ook dat deze efficiëntere processen compatibel zullen zijn met off-the-grid toepassingen, zoals het maken van kunstmest voor zelfvoorzienende boeren die zonne-energie gebruiken.