非熱プラズマ

非熱プラズマ、冷プラズマ、または非平衡プラズマは、電子温度が重い種（イオンと中性粒子）の温度よりもはるかに高いため、熱力学的平衡状態にないプラズマです。電子のみが熱化されるため、そのマクスウェル・ボルツマン速度分布はイオン速度分布と大きく異なります。^[1]種の速度の1つがマクスウェル・ボルツマン分布に従わない場合、プラズマは非マクスウェルであると言われます。

一般的な非熱プラズマの一種は蛍光灯内の水銀蒸気ガスであり、ここで「電子ガス」は 20,000  K (19,700  °C、35,500  °F ) の温度に達しますが、残りのガス、イオン、中性原子は室温よりわずかに高い温度にとどまるため、動作中に電球を手で触ることもできます。

食品加工の分野では、非熱プラズマ（NTP）またはコールドプラズマは、特に表面が壊れやすい果物、野菜、肉製品への適用が研究されている抗菌処理です。 ^[2] これらの食品は十分に消毒されていないか、化学薬品、熱、その他の従来の食品加工ツールによる処理には適していません。非熱プラズマの用途は当初、微生物学的消毒に重点が置かれていましたが、^[3]酵素不活性化、生体分子の酸化、タンパク質修飾、プロドラッグ活性化、農薬消散などの新しい用途が積極的に研究されています。 ^{[4] [5] [6] [7]非熱プラズマは、歯の殺菌[8] [9]}や手の殺菌^[10] 、ハンドドライヤー^[11]、自己除染フィルター^[12]にもますます多く使用されています。

コールドプラズマという用語は、最近、1気圧の室温に近いプラズマ放電を、周囲温度より数百または数千度高い温度で動作する他のプラズマと区別するための便利な記述子として使用されています（プラズマ（物理学）§ 温度を参照）。食品加工の文脈では、「コールド」という用語は、プラズマ処理の一部として冷蔵が必要であるという誤解を招くイメージを潜在的に生み出す可能性があります。ただし、実際にはこの混乱は問題になっていません。「コールドプラズマ」は、弱く電離したガス（電離度< 0.01%）を指すこともあります。

科学文献で見られる非熱プラズマの命名法は多様です。プラズマは、その生成に使用された特定の技術によって呼ばれる場合もあります (「グライディングアーク」、「プラズマペンシル」、「プラズマニードル」、「プラズマジェット」、「誘電体バリア放電」、「圧電直接放電プラズマ」など)。また、生成されるプラズマの特性に基づいて、より一般的な説明的な名前が付けられる場合もあります (「1 気圧均一グロー放電プラズマ」、「大気圧プラズマ」、「大気圧非熱放電」、「非平衡大気圧プラズマ」など)。NTP を他の成熟した産業応用プラズマ技術と区別する 2 つの特徴は、1) 非熱的であることと、2) 大気圧または大気圧付近で動作することです。

新たな分野では、非熱プラズマの能力が歯科や医学に応用されています。低温プラズマは慢性創傷の治療に使用されます。^[25]

磁気流体発電は、磁場内で運動する高温ガスから直接エネルギーを変換する方法であり、1960年代から1970年代にかけて、衝撃波管として知られるパルスMHD発電機を用いて開発された。この発電では、アルカリ金属蒸気（ガスの限られた電気伝導率を高めるためにセシウムなど）をシードした非平衡プラズマを使用し、2000～4000ケルビンの限られた温度で加熱されるが（壁を熱侵食から保護するため）、電子は10,000ケルビン以上に加熱される。^{[26] [27] [28] [29]}

「逆」非熱プラズマの特殊かつ珍しい例としては、 Zマシンによって生成される非常に高温のプラズマがあり、イオンは電子よりもはるかに高温です。^{[30] [31]}

亜音速、超音速、極超音速飛行のための技術的非熱的弱電離プラズマを伴う空力アクティブフロー制御ソリューションは、電気流体力学の分野におけるプラズマアクチュエータとして、また磁場も関与する磁気流体力学コンバータとして研究されている。 ^[32]

風洞で行われる研究では、ほとんどの場合、高度20～50kmに相当する低気圧が関係します。これは極超音速飛行に典型的ですが、この低気圧では空気の電気伝導率が高くなるため、より少ないエネルギー消費で非熱的な弱電離プラズマを簡単に生成できます。^[要出典]

大気圧非熱プラズマは化学反応を促進するために使用できます。高温の電子と冷たいガス分子の衝突により、解離反応が起こり、ラジカルが形成されます。この種の放電は、高温放電システムで通常見られる反応特性を示します。^[33]非熱プラズマは、触媒と組み合わせて使用​​​​され、反応物の化学変換をさらに促進したり、製品の化学組成を変更したりするためにも使用されます。

さまざまな応用分野としては、商業レベルでのオゾン生成^{[34] 、固体（} PM、VOC）と気体（SOx、NOx）の両方の汚染軽減^[35] 、燃料（メタノール、合成ガス）または付加価値化学物質_へのCO2変換^{[36] 、}窒素固定、 メタノール合成、より軽い炭化水素（メタンなど）からの液体燃料合成、^{[37]、炭化水素改質による}水素製造^{[38]などがあります。}

2 つの異なるメカニズム間の結合は、2 段階構成 (ポストプラズマ触媒 (PPC) とも呼ばれる) と 1 段階構成 (インプラズマ触媒 (IPC) またはプラズマ強化触媒 (PEC) とも呼ばれる) の 2 つの異なる方法で行うことができます。

最初のケースでは、触媒反応器はプラズマチャンバーの後に配置されます。これは、長寿命種のみが触媒表面に到達して反応し、短寿命ラジカル、イオン、励起種は反応器の最初の部分で崩壊することを意味します。例として、酸素基底状態原子 O(3P) の寿命は、乾燥空気大気圧プラズマで約 14 μs ^[39]です。これは、触媒の小さな領域のみが活性ラジカルと接触していることを意味します。このような 2 段階のセットアップでは、プラズマの主な役割は、触媒反応器に供給されるガス組成を変更することです。^[40] PEC システムでは、短寿命励起種が触媒表面近くで形成されるため、相乗効果が大きくなります。^[41]触媒を PEC 反応器に挿入する方法は、全体的なパフォーマンスに影響します。触媒は、粉末状 (充填床)、フォーム上に堆積、構造材料 (ハニカム) 上に堆積、反応器壁のコーティングなど、さまざま な方法で反応器内に配置できます。

充填床プラズマ触媒反応器は基礎研究によく使用されています^[33]が、流量とともに圧力降下が増加するため、産業用途へのスケールアップは困難です。

PECシステムでは、プラズマに対する触媒の配置方法によって、プロセスにさまざまな影響を与えることができます。触媒はプラズマに良い影響を与え、その逆もまた同様であり、各プロセスを個別に使用しても得られない出力が得られます。確立される相乗効果は、さまざまな相互効果に起因します。 ^{[42] [43] [38] [44] [45]}

• 触媒に対するプラズマの影響:
  • 物理化学的性質の変化。プラズマは触媒表面の吸着/脱着平衡を変化させ、より高い吸着能力をもたらします。この現象の解釈はまだ明らかではありません。^[46]
  • 触媒表面積の増大。放電にさらされた触媒はナノ粒子の形成を引き起こす可能性がある。^[47]表面積/体積比の増大は触媒性能の向上につながる。
  • 吸着確率が高くなります。
  • 触媒の酸化状態の変化。一部の金属触媒（Ni、Fe など）は金属状態の方が活性が高いです。プラズマ放電の存在により、触媒金属酸化物の還元が誘発され、触媒活性が向上します。
  • コークス生成の減少。炭化水素を扱う場合、コークス生成は触媒の進行性の不活性化につながります。^[48]プラズマの存在下でのコークス生成の減少は、触媒の被毒/不活性化率を低下させ、触媒の寿命を延ばします。
  • 新しい気相種の存在。プラズマ放電では、さまざまな新しい種が生成され、触媒がそれらにさらされるようになります。イオン、振動励起種、回転励起種は、固体表面に到達したときに電荷と追加のエネルギーを失うため、触媒に影響を与えません。代わりに、ラジカルは化学吸着に対して高い付着係数を示し、触媒活性を高めます。

• プラズマに対する触媒効果:
  • 局所電界の強化。この側面は主に充填床 PEC 構成に関係します。電界内に充填材が存在すると、凹凸の存在、固体材料表面の不均一性、細孔の存在、その他の物理的側面により、局所電界の強化が発生します。この現象は充填材表面の表面電荷蓄積に関係しており、触媒なしで充填床を使用した場合でも存在します。これは物理的側面ですが、凹凸付近の電子エネルギー分布を変えるため、化学にも影響します。
  • 細孔内部の放電形成。この側面は前の側面と厳密に関連しています。充填材内の小さな空隙は電界強度に影響を与えます。この増強は放電特性の変化にもつながり、バルク領域（固体材料から遠い部分）の放電条件とは異なる場合があります。^[49]電界の強度が高いと、バルクでは観察されない異なる種の生成にもつながる可能性があります。
  • 放電タイプの変化。放電領域に誘電体を挿入すると、放電タイプが変化する。フィラメント放電からフィラメント放電と表面放電の混合放電が確立される。表面放電が存在する場合、イオン、励起種、ラジカルがより広い領域に形成される。^[50]

プラズマに対する触媒効果は、主に放電領域内の誘電体の存在に関係しており、必ずしも触媒の存在を必要としません。

• 非等温プラズマ
• グライディングアークプラズマトロン^[51]