Elektrochemische cellen helpen bij het recyclen van CO ₂ . Echter, de katalytische oppervlakken slijten daarbij. Onderzoekers van het Collaborative Research Center 1316 "Voorbijgaande atmosferische plasma's:van plasma's tot vloeistoffen tot vaste stoffen" aan de Ruhr-Universität Bochum (RUB) onderzoeken hoe ze met een druk op de knop kunnen worden geregenereerd met behulp van extreme plasma's in water. In een eerste, ze gebruikten optische spectroscopie en modellering om dergelijke onderwaterplasma's in detail te analyseren, die slechts enkele nanoseconden bestaan, en om de condities tijdens plasma-ontsteking theoretisch te beschrijven. Ze publiceerden hun rapport in het tijdschrift Plasmabronnen Wetenschap en technologie op 4 juni 2019.

Plasma's zijn geïoniseerde gassen:ze worden gevormd wanneer een gas wordt geactiveerd dat dan vrije elektronen bevat. In de natuur, plasma's komen voor in sterren of nemen de vorm aan van poollicht op aarde. In engineering, plasma's worden bijvoorbeeld gebruikt om licht op te wekken in fluorescentielampen, of om nieuwe materialen te vervaardigen op het gebied van micro-elektronica. "Typisch, plasma's worden gegenereerd in de gasfase, bijvoorbeeld in de lucht of in edelgassen, " legt Katharina Grosse uit van het Instituut voor Experimentele Fysica II aan de RUB.

Scheuren in het water

In de huidige studie, de onderzoekers hebben plasma's direct in een vloeistof gegenereerd. Hiertoe, ze legden een hoge spanning op een ondergedompelde haarlijnelektrode voor een bereik van enkele miljardste seconden. Na plasma-ontsteking, er is een hoog negatief drukverschil aan de punt van de elektrode, wat resulteert in scheurvorming in de vloeistof. Plasma verspreidt zich dan over die breuken. "Plasma kan worden vergeleken met een bliksemschicht - alleen in dit geval gebeurt het onder water, ' zegt Katharina Grosse.

Heter dan de zon

Met behulp van snelle optische spectroscopie in combinatie met een vloeistofdynamicamodel, het onderzoeksteam identificeerde de variaties van macht, druk, en temperatuur in deze plasma's. "In het proces, we hebben geconstateerd dat het verbruik in deze plasma's kortstondig tot 100 kilowatt kan oplopen. Dit komt overeen met het aansluitvermogen van meerdere eengezinswoningen, ", zegt professor Achim von Keudell van het Institute for Experimental Physics II.

In aanvulling, er ontstaat een druk van meer dan enkele duizenden bar, wat overeenkomt met of zelfs groter is dan de druk in het diepste deel van de Stille Oceaan. Eindelijk, er zijn korte uitbarstingen van temperaturen van enkele duizenden graden, die ongeveer gelijk is aan en zelfs groter is dan de oppervlaktetemperatuur van de zon.

Water wordt afgebroken in zijn componenten

Dergelijke extreme omstandigheden duren maar heel kort. "Studies tot nu toe waren voornamelijk gericht op onderwaterplasma's in het microsecondebereik, " legt Katharina Grosse uit. "In die tijd, watermoleculen hebben de kans om de druk van het plasma te compenseren." De extreme plasma's die het onderwerp van het huidige onderzoek zijn geweest, hebben veel snellere processen. Het water kan de druk niet compenseren en de moleculen worden afgebroken tot hun componenten .

"De zuurstof die daarbij vrijkomt, speelt een vitale rol voor katalytische oppervlakken in elektrochemische cellen, " legt Katharina Grosse uit. "Door dergelijke oppervlakken opnieuw te oxideren, het helpt hen te regenereren en hun volledige katalytische activiteit weer op te nemen. Bovendien, in water opgeloste reagentia kunnen ook worden geactiveerd, waardoor katalyseprocessen worden vergemakkelijkt."