直流輝光等離子體氫還原CuO機理研究.pdf

1、本文提出了利用冷等離子體的化學(xué)活性從熱力學(xué)和動力學(xué)層面上提高氫的還原能力,為實現(xiàn)氧化物的低溫氫還原開辟了一條新的途徑.本研究采用直流脈沖電場產(chǎn)生非平衡態(tài)等離子體氫,選擇了CuO為試樣,對金屬氧化物在等離子體中的還原行為及反應(yīng)的熱力學(xué)和動力學(xué)機理進行了系統(tǒng)的研究.本文的主要成果及結(jié)論為:通過等離子氫與分子氫在相同條件下還原CuO的對比實驗可得,實驗結(jié)果表明,在體系壓力為450Pa、溫度為200℃下,等離子態(tài)的氫可以還原CuO為金屬Cu;而

2、分子氫不能將CuO還原為金屬CuO.通過不同溫度條件下氫等離子體還原CuO的實驗可以得出:在低溫區(qū)(<150℃),CuO試樣的表面很快被還原為金屬Cu,但由于反應(yīng)界面上產(chǎn)物H<,2>O的脫附成為反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié),阻止了還原反應(yīng)的進一步進行,在很長的反應(yīng)時間下也沒有觀察到明顯的還原金屬層;在150~300℃的溫度區(qū)間內(nèi)比較有利于等離子體氫還原CuO,還原層厚度變化幾乎與溫度沒有關(guān)系;當還原溫度大于300℃時,由于生成的金屬Cu很活潑,在較

3、長的還原時間下,表面還原的Cu會被氣體中的殘余成分或產(chǎn)物H<,2>O所氧化.本文對分子氫和等離子體氫還原CuO的熱力學(xué)進行了比較研究,計算了平衡態(tài)下利用分子氫和原子氫還原CuO的吉布斯自由能與T的關(guān)系.隨著混合氣體中原子氫含量的增加,還原反應(yīng)的吉布斯自由能減小;隨著反應(yīng)體系溫度的升高,分子氫的還原能力越來越大,而等離子體氫還原反應(yīng)的吉布斯自由能逐漸增大,還原能力減小.隨著還原時間的增加,餅狀CuO試樣的還原表層厚度隨試樣放置方式的不同呈