空气DBD产生无臭氧氮氧化物的规律及调控机理研究

O3 generator based on DBD has been widely used. DBD driven by AC power can produce nitrogen oxide without O3, but it did not attract enough attention. By means of LC-MS, fluorescence spectrometer, etc., we discover that ONOO- is generated by the reaction of NO with O2- in DBD discharge for the first time. It is very valuable in biological field. Nitrogen oxide is the recent research hot spot of plasma medicine. Here, we propose to study the behavior and regulating methods of the nitrogen oxides that are generated by DBD comprehensively. In order to master the internal physical and chemical mechanism and then regulate the products, a real time optical diagnosis method is proposed based on the devices of narrow-band filter, PMT, etc., which need no trigger signal. With this method, the measurement of the spatial and temporal resolution of reduced electric field in the filamentous DBD is achievable. Based on this, the spatial and temporal resolution of the electron mean energy can be calculated. Combined with the information of excited and ground state of nitrogen and oxygen and reaction rate, the main reaction paths influenced by electron energy and gas temperature are studied. Based on the diagnosis methods above, by changing the ratio of N2 and O2 and regulating electron energy and gas temperature, we propose a comprehensive DBD product regulating method by multi-channel discharge, the physical parameters of which can be adjusted independently to satisfy different medical applications. The implementation of this project contributes to expanding the range of DBD applications.

DBD臭氧发生器已广泛应用，但利用交流DBD产生无O3的氮氧化物，却未得到重视。申请者利用质谱、荧光光谱等手段首次发现DBD放电中，NO与O2-反应可以生成长寿命稳定物质ONOO-，在生物领域具有重要价值。氮氧化物是等离子体医学近期研究热点。因而提出对无臭氧的DBD氮氧化物规律及调控机理进行研究。为掌握其内部物理-化学机理，从而实施调控，以适用不同生物应用，提出了结合窄带滤光片、PMT等设备的无需触发信号的实时光学诊断方法，从而使获得交流驱动丝状DBD的时空分辨约化电场成为可能，再结合计算得到电子平均能量的时空分辨。并结合氮、氧的激发态和基态信息以及化学反应速率研究电子能量和气体温度影响产物的主要化学反应渠道。基于上述诊断方法，以工作气体中N2:O2比例为变量，以调控电子能量和气体温度为桥梁，提出了基于物理参数独立调节的多通道DBD产物融合调控方法。本项目的开展有利于拓展DBD应用领域。

本项目围绕DBD产生氮氧化物的种类、规律以及调控机理展开研究。通过对交流驱动下DBD约化电场、电子能量分布函数、电子平均能量、电子密度、真实平均能量密度和气体温度以及氮和氧的激发态及基态的变化规律研究，发现电子能量越高，气体温度越高，电子能量通过干预电子碰撞反应有效地调节各种反应物质的产生。而气体温度直接改变了特征产物的生成速率和淬灭反应，从而影响DBD产物的变化。首次发现可以调控DBD产生ONOO-，并研究了DBD产生氮氧化物的类型及变化规律，发现DBD存在臭氧模式、过渡模式和氮氧化物模式三种模式，在氮氧化物模式下，NO与O2-反应可以生成长寿命稳定物质ONOO-。高含氧量时产生ONOO-需要更高的外加电压和更低的气流量，ONOO-浓度随外加电压增加变化不大，与气流量负相关。ONOO-浓度与能量密度正相关，因而可以通过调节放电参数，改变能量密度以调控ONOO-的产生。通过对气态产物在青霉菌上的灭菌效果评价，发现它能有效地抑制青霉菌孢子的萌发，其萌发抑制效果与ONOO-浓度密切相关，ONOO-的灭菌效应说明其在生物医学领域具有重要研究价值。最后发现通过调节气体成分、温度、电压及气体流量，可以有效调控DBD主要化学产物浓度。本项目通过对DBD产生无臭氧氮氧化物的规律及调控机理的研究，掌握其内部物理-化学机理，从而实施调控，有利于拓展DBD的应用领域。在本项目基金支持下共计发表SCI论文15篇，中文核心论文1篇，其中高被引SCI论文1篇。基于本项目的理论研究结果自主研发了空气放电自由基果蔬保鲜系统，在多种果蔬上得到验证，具有显著的应用价值和市场前景，帮助四川仁寿柑桔企业降损增收，助力重庆巫山脆李首次出口新加坡，相关应用案例被新华社、人民网、重庆卫视等多家主流媒体报道，展现出良好的社会效益和经济价值。