Das von der DFG geförderte Projekt „Patterned Dielectric Barrier Discharges für umweltbezogene und biomedizinische Anwendungen: Von den Grundlagen zur Prozesskontrolle“ wurde im Juni 2020 gestartet. Ziel des Projekts ist es, Patterned Dielectric Barrier Discharges für die Umweltanwendung der Schadstoffentfernung aus flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) grundlegend zu verstehen.

Festbett-dielektrische Barriereentladungen (DBDs) oder Festbett-Plasmareaktoren (PBPRs) sind attraktiv für Mehrfachgasaufbereitungsanwendungen von hoher gesellschaftlicher Relevanz, wie die Abgasreinigung. In einem PBPR wird das Volumen zwischen den Elektroden mit kugelförmigen dielektrischen Pellets gefüllt, die mit Katalysatoren beladen sind, und das Plasma wird in dem Hohlraum zwischen den Pellets erzeugt. Die Kombination von Plasma und Katalysator verbessert im Allgemeinen die Leistung des Reaktors im Makromaßstab auf synergistische Weise. Die Verwendung von PBPRs ist aufgrund der Verständnislücke bzgl. grundlegender Plasma- und Oberflächenwechselwirkungen im Mikromaßstab, wie z. B. der räumlich-zeitlichen Elektronendynamik, begrenzt. Dies liegt daran, dass das komplexe und unregelmäßige Design von PBPRs einen schlechten Diagnosezugriff bietet und in aufeinanderfolgenden Perioden der Ansteuerspannungswellenform eine inkonsistente Elektronendynamik erzeugt. Daher kann eine experimentelle Diagnostik, die eine Mittelung über mehrere Zeiträume erfordert, nicht angewendet werden. Daher werden die Reaktoren mit empirischen Methoden ineffizient optimiert. Ferner erzeugt die Konstruktion einen signifikanten Druckabfall aufgrund des begrenzt verfügbaren Volumens für den Gasstrom zwischen den Pellets.

Eine vereinfachte Version eines PBPRs, ein strukturiertes DBD (pDBD) -Design, wurde entwickelt, um diesen Herausforderungen zu begegnen. Es bietet einen quasi-3D-optischen Zugang und vermeidet Druckabfälle. In einer pDBD ist nur eines der die Elektrode bedeckenden Dielektrika als eine einzelne Schicht regelmäßig angeordneter halbkugelförmiger Pellets strukturiert. Voruntersuchungen zeigen, dass dieses Design die Entladungsstabilität hinsichtlich der räumlich-zeitlichen Dynamik energetischer Elektronen in aufeinanderfolgenden Perioden der Ansteuerspannungswellenform drastisch verbessert. Dies ermöglicht die Verwendung modernster Diagnostiken, bei denen eine Mittelung über mehrere Zyklen erforderlich ist, um diese Dynamik aufzuzeigen.

Dieses Projekt zielt darauf ab, das pDBD-Design mithilfe experimenteller Diagnostik mit 2D-Fluidsimulation in einem He / O₂ / N₂-Gasgemisch systematisch zu untersuchen. Der Einfluss der angelegten Spannung, des Designs und der Katalysatorparameter auf Elektronendynamik, -dichte, -temperatur und Reaktivteilchenerzeugung wird untersucht. Schließlich wird die Entfernung von VOCs aus Gasströmen auf der Grundlage fundamentaler wissenschaftlicher Erkenntnisse untersucht und optimiert.