Leveraging electron microscopy and electrical diagnostics to address challenges in plasma catalysis

Promovendus/a: Robin De Meyer

Promotor(en): Sara Bals, Annemie Bogaerts, Jo Verbeeck

Gasconversie met behulp van plasma (geïoniseerd gas) wint aan interesse als een potentiële kandidaat om bij te dragen aan de elektrificatie van de chemische industrie. Verschillende pistes worden hierbij overwogen, en dit werk focust voornamelijk op plasmakatalyse. In plasmakatalyse wordt een katalytisch materiaal gecombineerd met plasma, met als doel de prestatie van het proces te verbeteren. Verschillende aspecten van plasmakatalyse zijn echter onvoldoende begrepen, met vele complexe onderliggende mechanismen die eenvoudig begrip, optimalisatie en implementatie van deze technologie verhinderen.

Dit werk gebruikt een multidisciplinaire benadering om uitdagingen in plasmakatalyse aan te pakken. Enerzijds wordt elektrische karakterisatie van de diëlektrische barrière ontlading toegepast om de eigenschappen van de ontlading te begrijpen en te correleren met andere observaties. Anderzijds wordt elektronenmicroscopie gebruikt om inzichten te bekomen in de microscopische eigenschappen van relevante materialen. Door deze technieken te combineren wordt het effect van het katalytisch materiaal op de plasma-ontlading geïllustreerd. De microscopische eigenschappen van het katalytisch materiaal hebben duidelijk een invloed op de kenmerken van de plasma ontlading. Bovendien kunnen deze kenmerken van de ontlading een dominante invloed hebben op de algemene prestatie van het plasma-katalytisch proces. Vervolgens wordt aangetoond dat de blootgestelde elektrode van de diëlektrische barrière ontlading erodeert en zo het materiaal in de plasmareactor contamineert. Dit effect blijkt hardnekkig te zijn en de precieze kenmerken van de ontlading opnieuw een cruciale rol spelen bij de vorming van de erosieproducten.

Om het effect van een (geleidend) materiaal op de plasma ontlading verder te onderzoeken, wordt een diffuse diëlektrische barrière ontlading bestudeerd terwijl het wordt blootgesteld aan een geleidende laag. Deze geleidende laag blijkt de capaciteiten van het systeem gevoelig te beïnvloeden, wat op zijn beurt een effect heeft op de kenmerken van de ontlading. Verder geven de resultaten ook aan dat het materiaal nog een bijkomend effect kan hebben op het plasma via andere mechanismen, zoals versterkte elektronenemissie, waardoor de ontlading kan plaatsvinden bij lagere spanningen.

Tenslotte wordt een plasma-opstelling ontwikkeld die het mogelijk maakt om een materiaal te bestuderen met een rasterelektronenmicroscoop terwijl het wordt blootgesteld aan een plasma. Dit systeem wordt gekarakteriseerd en de invloed van het plasma op materialen wordt onderzocht. Aangezien het plasma wordt onderhouden door een constant elektrisch veld, worden ionen naar het materiaal versneld waardoor sputteren kan worden vastgesteld. Daarnaast wordt oxidatie van het materiaal geobserveerd na blootstelling aan een zuurstofhoudend plasma, wat het potentieel van dit systeem voor plasmakatalyse en andere toepassingen illustreert.