張 帥，章 程，2，邵 濤，2

(1.中國科學院 電工研究所，等離子體科學和能源轉化北京市國際科技合作基地，北京 100190；2.中國科學院大學，北京 100049)

火花放電等離子體通常結構緊湊，但是參數多變、工作氣體多樣，具備體積小、能量利用效率高的獨特優(yōu)勢。按照結構、氣壓和工作環(huán)境可以分類為偽火花放電[1]、大氣壓火花放電、高氣壓火花放電和液相火花放電等[2-3]。偽火花放電通常采用空心陰極結構，在低氣壓條件下產生大電流放電，在巴申曲線左半支，應用于檢測技術、氣體開關、電子束源、極紫外光源等領域[1]。大氣壓火花放電結構種類多(包含針-針、針-板等)，主要用于能源轉化、環(huán)境治理、原子發(fā)射光譜儀等領域。高氣壓火花放電主要發(fā)生在電力領域的高壓開關設備中，工作氣體也較特殊(通常為SF6、CF4等)[4]。液相火花放電發(fā)生在液體中，通常用于絕緣油擊穿、聲源[5]、污水治理[6]、活化水等領域[7-8]。

近20年來，因高瞬時功率密度、高電場強度和高反應活性，脈沖放電等離子體及其應用技術蓬勃發(fā)展。脈沖電源激勵不同反應器可以產生介質阻擋放電[9]、等離子體射流、電暈放電(彌散放電)、絲狀放電、火花放電[3，10]等，產生的等離子體性質(電子能量和密度、氣體溫度等)也不盡相同，在材料表面處理、生物醫(yī)學、殺菌消毒、環(huán)境處理、能源化工、飛行器流動控制和點火助燃等領域都展現了廣闊的應用前景[11-29]。特別是在能源化工領域，脈沖放電等離子體已經在固氮和合成氨、CO2資源化、甲烷轉化、液態(tài)烴裂解等過程中展現出獨特優(yōu)勢，其主要技術途徑如圖1所示。

筆者將概述微秒/納秒脈沖火花放電等離子體在能源轉化領域的應用現狀，并探討脈沖火花放電在起始、發(fā)展和反應階段分別涉及到的引導氣體擊穿機制、快速氣體加熱機制、放電通道膨脹效應、非平衡化學反應等物理化學機制/效應，總結當前面臨的關鍵科學和技術難題并提出相應的解決方案。

1 脈沖火花放電等離子體能源轉化應用研究現狀

21世紀以來，隨著脈沖功率技術和電源技術的不斷發(fā)展，脈沖火花放電等離子體技術在能源轉化的應用研究持續(xù)增長[30]，并在氧化固氮、CO2資源化、CH4轉化、高碳烴裂解等多種領域都取得了優(yōu)異成果。圖2為脈沖火花放電等離子體與傳統(tǒng)熱催化轉化技術途徑對比。脈沖火花放電等離子體技術有潛力完全顛覆多種傳統(tǒng)熱催化能源轉化技術方法，基于可再生能源電力實現溫和條件高效、綠色、低碳制備燃料或化學品。

圖2 脈沖火花放電等離子體與傳統(tǒng)熱催化轉化技術途徑對比Fig.2 Comparison of reaction pathway between pulsed spark discharge plasma and traditional thermal catalytic conversion technology

1.1 氧化固氮

通常采用脈沖火花放電、滑動弧放電、磁控輝光放電等氣體放電等離子體氧化固氮生成NOx等產物[31-33]。瑞典烏普薩拉大學Rahman等[34]研究了產物中NOx濃度與脈沖放電的電流峰值和電極間隙之間的相關性。美國加州大學伯克利分校Pei等[35]從實驗角度系統(tǒng)研究了多種形式放電的氧化固氮效果，發(fā)現了χ因子(平均電場E與平均氣體溫度T乘積歸一化)和固氮能耗呈現線性關系，并采用脈沖旋轉火花放電等離子體實現了最低能耗約為2.9 MJ/mol。安特衛(wèi)普大學Vervloessem等[36]在高速氣流下采用脈沖火花放電等離子體氧化固氮，獲得了非常高的能效(0.42 MJ/mol)，已經接近工業(yè)合成氨水平。日本國家先進工業(yè)科學技術研究所Abdelaziz等[37]發(fā)現采用高重復頻率雙極性脈沖電壓有利于提升NOx產率和能效。

日本名古屋大學Britun等[38]在僅計算等離子體功率的情況下獲得了脈沖火花放電等離子體生產NO的能耗約 0.34 MJ/mol，接近Zeldovich反應焓(0.29 MJ/mol)，并且明顯低于目前哈伯法合成氨工藝0.48 MJ/mol，同時也指出提升電源激勵等離子體的能量利用效率是后續(xù)優(yōu)化的關鍵。比利時根特大學Gromov等[39]采用時空分辨激光誘導熒光技術診斷了脈沖火花放電等離子體演化固氮過程中NO和O的粒子濃度和演化過程并分析其產生路徑，還發(fā)現在脈沖爆發(fā)模式下(100 kHz)盡管N2轉化率升高，而生成NO的能量利用效率反而降低。常州大學Li等[40]研究了針-針和針-環(huán)電極結構納秒脈沖火花放電等離子體氧化固氮效果，在N2/O2體積比為1的組分條件下獲得了最高能效為0.09 mol/(kW·h)，并利用吉布斯自由能方程估算氣體溫度超過2000 K。

常規(guī)條件下，綠色、零碳氧化固氮技術具有很好的工業(yè)應用前景，特別是等離子體氧化空氣固氮耦合電催化合成氨的“兩步法”合成氨技術路線，有望成為現有工業(yè)合成氨的替代技術工藝(如圖2(a)所示)。澳大利亞阿德萊德大學Li等[41]將脈沖火花放電等離子體氧化固氮生成NOx通入水中，然后電催化合成氨的法拉第效率高達100%，氨生成速率最高可達到198.3 μmol/(cm2·h)。大連理工大學Ren等[42]優(yōu)化脈沖火花放電等離子體氧化固氮NOx的形成過程，構建納米Cu顆粒電催化產氨速率達到40 nmol/(s·cm2)，比常規(guī)電化學合成氨系統(tǒng)提升約2個數量級。

1.2 CO2資源化

脈沖火花放電等離子體用于CH4/CO2干重整反應具有高轉化率、高能量效率的優(yōu)勢，其產物主要是合成氣。與熱催化技術相比，大大降低了工作溫度和壓力(如圖2(b)所示)，但是與等離子體催化反應產生的液態(tài)產物相比價值相對較低[43]。脈沖火花放電與滑動弧放電等離子體的重整反應轉化效果最優(yōu)，已經接近熱力學平衡并達到能量利用效率的預期目標[44]。伊朗德黑蘭大學Ghorbanzadeh等[45]采用低功耗的脈沖放電等離子體獲得CH4/CO2轉化率分別為61%和50%，H2和CO選擇性分別為77%和65%，能量利用效率為35%的效果，明顯優(yōu)于脈沖介質阻擋放電(Dielectric barrier discharge，DBD)、電暈或微波放電等離子體。俄羅斯科學院電物理研究所Filatov等[46]研究了氣壓(0.1～0.5 MPa)和脈沖寬度(1～15 ns)對脈沖火花放電等離子體CH4/CO2干重整轉化效率的影響規(guī)律，發(fā)現當氣壓升高或脈沖寬度減少時CH4和CO2轉化率均明顯降低，在氣壓為0.1 MPa和脈沖寬度為15 ns時干重整反應的能耗最低。

意大利國家研究委員會生物醫(yī)用與復合材料研究所Scapinello等[47]利用數十納秒脈沖火花放電等離子體獲得了CH4/CO2高轉化率，同時生成合成氣的能量利用效率為40%，與其他放電形式(DBD、電暈和微波放電等)相比已經處于最高行列。研究者還通過調控脈沖序列(采用爆發(fā)模式縮短脈沖間隔，重復頻率可達到幾十kHz)，獲得高重復頻率脈沖放電條件下同時提升CO2裂解轉化率和能量利用效率[48]，而如果將脈沖間隔時間從>833 μs縮短到<40 μs時，相同單位注入能量條件下，CH4/CO2干重整反應中CO2轉化率翻倍、CH4轉化率提升50%，同時能量利用效率也從50%提升到65%[49]。

中國科學院電工研究所Zhang等[50]利用高分辨發(fā)射光譜技術估算脈沖火花放電等離子體CH4/CO2干重整反應中振動-轉動溫度、電子密度和激發(fā)溫度等參數，為理解CH4/CO2干重整反應機制提供了必須的基礎數據。意大利特倫托大學Ceppelli等[51]也診斷了脈沖火花放電等離子體CO2裂解反應中主要發(fā)射光譜并估算了其電子密度和電子溫度。南京工業(yè)大學Zhang等[52]建立了等離子體反應動力學模型，并在較寬的單位注入能量范圍內獲得了與Scapinello等[47]實驗中CH4/CO2干重整反應相吻合的轉化數據，并通過模型預測了電子碰撞裂解是導致CH4/CO2分解的主要因素，且振動激發(fā)態(tài)CO2(υ)在CO2裂解過程中扮演重要角色。

1.3 CH4轉化

目前探索出等離子體CH4高效直接裂解產生H2、C2H2和納米碳材料，耦合催化“兩步法”高效合成乙烯技術方法，并已具備較高的工業(yè)應用價值(如圖2(c)所示)。日本地球創(chuàng)新技術研究所Yao等[53-54]討論了脈沖CH4放電等離子體特性，建立了等效的單放電通道模型，并認為火花放電通道的氣體溫度(2340 K)導致了CH4熱裂解，還采用高重復頻率脈沖驅動針-針反應器獲得CH4轉化率為23.5%，同時C2H2選擇性達到85.1%。日本東京工業(yè)大學Kado等[55-57]采用脈沖火花放電獲得CH4直接裂解轉化率達到53%、C2H2選擇性為95%，還考察了多種實驗條件與氣體對CH4轉化率和產物的影響。此外還對比了多種脈沖放電形式(DBD、電暈、火花)對CH4轉化的產物和效率，發(fā)現脈沖火花放電生產C2H2能量利用效率最高達到32.3%、能耗為12.1 kW·h/kg。脈沖火花放電中高能電子引起CH4連續(xù)脫氫產生C原子，繼而復合為C2或加氫為CH，最后生成C2H2。

伊朗德黑蘭大學Lotfalipour等[58]、Bidgoli等[59]利用平板電極納秒脈沖火花放電獲得CH4轉化率和能量利用效率分別約為60%和75%，并建立數學模型，指出高度非平衡的振動激發(fā)態(tài)(CH4(υ))主導了高能量利用效率。還優(yōu)化了電極結構實現脈沖滑動火花放電等離子體，相同條件下比傳統(tǒng)結構CH4轉化率和能量利用效率同步提升了5%～35%，這種提升效果被推測主要源于等離子體通道非常高的位移速度。比利時魯汶大學Delikonstantis等[60-61]和Scapinello等[62-63]發(fā)現脈沖重復頻率與電極間隙適配才能獲得較好的轉化效果，并綜合對比了脈沖激勵的板-板和同軸結構火花放電等離子體穩(wěn)定性、抑制積炭、能量利用效率以及C2H2/C2H4產率。設計了脈沖火花放電等離子體-催化耦合反應器(即在末端添加Pd金屬基催化劑)直接裂解CH4，獲得C2H4單程產率為25.7%和能耗為1.6 MJ/mol，該技術工藝仍需要通過集成固體材料清除設備來解決積炭問題。此外，通過同位素分析方法研究了反應機制，常壓條件下自由電子碰撞和熱反應促使CH4裂解成CHx自由基；而高氣壓條件下CH3自由基耦合生成C2H6和C2H2加氫反應提高了產物中C2H4含量。

中國石油大學Wang等[64]實現了“兩段式”循環(huán)利用等離子體催化反應器裂解CH4制備烯烴，其中第一段采用脈沖火花放電產生C2H2和H2，然后第二段采用MgAl2O4負載Pd-Ni金屬催化劑獲得C2H4產率達到55%。中國科學院電工研究所Gao等[65]、孫昊等[66]實現了脈沖火花放電等離子體無氧轉化甲烷制取H2、C2H2和納米碳材料，轉化率高達91.2%，能量利用效率44.3%，氫氣和乙炔選擇性分別為42.1%和63.4%，納米碳材料具有強耐磨性能。研究了CH4氣氛中不同脈沖放電模式(彌散、絲狀和火花放電)對產物種類的影響規(guī)律，通過高分辨瞬態(tài)發(fā)射光譜揭示氣體快速加熱機制[67]，并通過激光誘導熒光技術測定脈沖放電CH4/Ar等離子體H自由基絕對濃度和時間演化，揭示Ar離子和亞穩(wěn)態(tài)粒子的“能量池”效應，促進CH4裂解[68]。此外，還對比了微波等離子體射流、脈沖火花放電和脈沖介質阻擋放電(DBD)等離子體轉化CH4產物，并建立了CH/C2發(fā)射光譜強度比值與產物的關聯關系[69]。目前相關研究主要集中在脈沖電源參數和反應器結構優(yōu)化研究，考察等離子體CH4轉化的“構-效關系”并評估技術經濟性。

1.4 液態(tài)烴加工

脈沖火花放電等離子體應用于多種高碳烴裂解制H2、C2H2、納米碳材料研究，液態(tài)烴種類繁多(重油、醇類、高碳烴、生物質等)，其優(yōu)勢是裂解效率和工藝流程通常遠優(yōu)于傳統(tǒng)熱裂解方法(如圖2(d)所示)[70-71]。但是液相放電過程非常復雜，涉及氣、液、固三相及多種物理和界面效應。日本早稻田大學Sekine等[72]采用脈沖火花放電等離子體重整柴油模型化合物(正十二烷)生產機載H2或者合成氣和少量C2烴類，避免產生積炭，發(fā)現較長間隙和較低重復頻率有利于等離子體柴油模型化合物重整反應。美國克拉克森大學Franclemont等[73]指出，脈沖電壓、脈沖極性和水等對脈沖火花放電等離子體裂解甲醇的產物影響不大，氣態(tài)產物均以合成氣為主、含有少量CH4和C2烴類等，而液態(tài)產物包含乙醇、乙二醇、甲醛等。依據密度泛函理論計算結果推測了甲醇裂解的反應機制。

大連海事大學Xin等[74-79]、Wang等[80]、Ma等[81]、馬傳軍等[82]系統(tǒng)性地研究了脈沖液相火花放電等離子體裂解乙醇溶液和乙醇-水混合溶液中電極材料/結構、溶液pH值、TiO2催化劑等因素對制氫速率的影響規(guī)律。首次明確了金屬電極材料功函數的影響規(guī)律(功函數越低、制氫產率和能量利用效率越高)，通過發(fā)射光譜技術估算出電子能量約為2 eV和電子能量為3.27×1019cm-3[75]；還采用針-網電極結構在單位注入能量為6.4 J/L條件下得出氫氣體積流速為800 mL/min、氫氣體積分數為73.5%和能耗為0.9 kW·h/m3[76]。探討了TiO2光催化劑對等離子體裂解制氫流速和氫含量同步提升的反應機制[83]，最后通過多種影響因素的優(yōu)化大幅度降低了制氫能耗(達到了0.5 kW·h/m3)[79]。中國科學院電工研究所范喆等[84-86]開展了微秒脈沖火花放電等離子體共裂解甲烷-正癸烷制備C2H2和H2研究，在脈沖重復頻率1 kHz條件下產生C2H2和H2的能耗分別為10.4和6.4 kW·h/m3。通過采集瞬態(tài)發(fā)射光譜獲得了放電的氣體溫度數十納秒內快速升高約3000 K的間接證據，解釋了脈沖火花放電有利生成C2H2的核心機制。

2 脈沖火花放電等離子體物理機制研究

按照脈沖火花放電等離子體的發(fā)展過程，可將其分為初始、發(fā)展和反應3個階段(如圖3(a)典型電壓-電流波形所示)。而上述3個階段都涉及到多種物理化學反應過程，主要包括起始階段的電子/光子引導氣體擊穿機制(如圖3(b)所示)、發(fā)展階段的快速氣體加熱機制和放電通道膨脹效應(如圖3(c)和3(d)所示)、反應階段的非平衡化學反應機制(如圖3(e)所示)等。

圖3 脈沖火花放電等離子體典型階段和物理化學過程[87，88]Fig.3 Typical stages and physicochemical processes of pulsed spark discharge plasma[87，88]

2.1 引導氣體擊穿機制

經典流注理論的光電離模型已經不能完全解釋高氣壓和快脈沖條件下氣體擊穿現象[89]。近些年來中高能電子逃逸擊穿假說解釋了納秒脈沖氣體放電中二次電子來源和流注發(fā)展過程。俄羅斯科學院大電流所Tarasenko等[90-91]系統(tǒng)地研究了空氣、N2、SF6、Kr、Ar、CH4、Ne、H2和He氣氛下針-板電極負極性高壓脈沖(2 ns/200 kV)氣體放電中的逃逸電子束流特征，并結合實驗和模擬結果推測逃逸電子確實影響了脈沖氣體放電擊穿過程。Beloplotov等[92]還采用四分幅高速相機和條紋相機驗證了逃逸電子在空氣和N2氣氛中針-板電極高壓脈沖(8～5 kV/50～200 kPa)氣體放電中正、負流注放電演化過程的重要作用。俄羅斯科學院聯合高溫所Babaeva等[93]采用二維流體和流體模特卡洛模擬揭示了20 keV逃逸電子在引發(fā)負極性高壓脈沖(120 kV/12 mm氣隙)彌散放電中起到關鍵作用。德國萊布尼茨等離子體科學與技術研究所H?ft等[94]采用四分幅高速相機和條紋相機發(fā)現了200 ps上升沿和(15±2)kV方波電壓幅值條件下針-針結構脈沖火花放電演化存在2個階段：首先在整個氣體間隙發(fā)生快速擊穿過程(約10 mm/ns)，接著放電從2個電極開始從氣體中間演化(約0.1 mm/ns)，結合高分辨診斷和數值模擬發(fā)現上述快速擊穿過程是由電場強度陡升造成的。

中國科學院電工研究所Shao等[95-96]、Zhang等[97]與Tarasenko等[98]合作系統(tǒng)地研究了非均勻結構、陡峭脈沖電壓條件下逃逸電子束流和X射線能譜對氣體擊穿的引導機制。首次采用收集器在脈沖電暈放電中測量了逃逸電子束流[95]；還在上升沿為15.0、1.0和 0.2 ns重復頻率脈沖電壓下考察了氣體間隙、重復頻率、陽極結構和材料堆逃逸電子束流和X射線的影響[96]；并利用逃逸電子引導基礎理論解釋了在高電場強度、針-板電極在N2、N2/CH4和空氣氣氛中火花放電的形成過程[98]。清華大學Li等[99]基于二維PIC-MCC模型研究了納秒脈沖空氣放電中光電離對起始放電逃逸電子和發(fā)展的影響規(guī)律，發(fā)現光電離在放電起始初期不起作用，但是在放電向陽極發(fā)展過程中對放電形貌的影響非常大。同時光電離對逃逸電子的最高能量增長趨勢沒有決定性影響，但是其確實影響最高能量的變化率和電子能量的整體分布。Li等[100]還研究了單次到高重復頻率(≤100 kHz)的短脈沖(10 ns)激勵氣體在不同氣體間隙放電擊穿規(guī)律，并發(fā)現上次放電產生的殘余和衰變等離子體通道對重復頻率短脈沖電壓激勵較長氣體間隙擊穿非常重要。

2.2 快速氣體加熱機制

2.3 放電通道膨脹效應

華中科技大學盧新培等[110]利用高速紋影法研究了水中脈沖放電等離子體通道的邊界層，并指出水中放電等離子體通道沿著軸向具有非均勻性。俄羅斯科學院列別捷夫物理研究所Khirianova等[111]利用皮秒激光干涉測量法研究了脈沖火花放電通道中的電子密度，發(fā)現電子密度最高可達約5×1019cm-3。結合紋影圖像和數學模型研究了1.5 mm間隙針-板結構脈沖火花放電的通道發(fā)展過程，發(fā)現從擊穿開始后的20～30 ns有明顯邊界的通道開始形成并快速徑向擴展，并通過數學模型推測出高導電通道的膨脹速度和電子漂移速度均為每秒幾公里，而放電通道內的電場強度約5 kV/cm、電子溫度2～3 eV、電導率約200 Ω/cm[87，112-113]。法國巴黎薩克雷大學Minesi等[114]通過高分辨輻射光詳細研究了脈沖電壓激勵的非熱平衡-熱平衡火花放電演化過程，報道了放電通道直徑和主要等離子體電子密度和溫度等隨著時間的變化情況。清華大學Li等[115]也通過激光紋影方法觀測了空氣中單次納秒脈沖放電通道膨脹過程，并計算了其實驗條件下初始0～2 μs和10 μs后放電誘導的沖擊波平均傳播速度分別為565和343 m/s。

2.4 非平衡化學反應

比利時根特大學Delikonstantis等[116]研究發(fā)現，脈沖火花放電等離子體在CeO2/Fe2O3催化劑表面引發(fā)CO2的化學鏈反應并導致CO2轉化效果克服熱力學平衡限制。研究者認為，超短電壓脈沖可以在較低的氣體溫度下活化CO2，從而在相對較低的功率消耗下實現CO2裂解，并且允許等離子體后區(qū)使用豐富循環(huán)材料從而提高理想產物的選擇性。中國科學院電工研究所Zhang等[88]通過實驗、診斷和模擬等手段相結合，發(fā)現并驗證了脈沖火花放電等離子體氧化固氮反應在余輝階段存在自由基引發(fā)鏈式反應機制(N+O2(v)→NO+O和O+N2(v)→NO+N)(如圖3(e)所示)，該鏈式反應貢獻了超過50%的NO，并通過N和O原子的瞬態(tài)演化發(fā)射光譜在放電余輝階段出現峰值的現象間接證實了上述機制。美國俄亥俄州立大學Winters等[117]采用激光誘導技術診斷和反應動力學模擬研究了納秒脈沖放電激勵的不同燃料-氧氣-氬氣混合體系中O和H自由基絕對濃度及其演化過程，還發(fā)現O和H是等離子體中2種主要自由基并在觸發(fā)燃料點火所需的鏈式分支反應過程中起到了關鍵作用。

3 面臨的挑戰(zhàn)

綜上所述，脈沖火花放電等離子體在多個能源轉化領域(CH4轉化、CO2資源化、氧化固氮、液態(tài)烴裂解)的應用研究都展現出綠色、低碳、低能耗的突出優(yōu)勢，擁有重要的應用前景，也備受國內外學者的高度關注。此外，脈沖火花放電等離子體物理化學機制也是研究熱點，在初始階段的引導氣體擊穿機制、發(fā)展階段的快速氣體加熱機制和放電通道膨脹效應、反應階段的非平衡化學反應機制等基礎研究也均有涉及。然而，相關實驗或仿真研究僅關注脈沖火花放電等離子體的某種物理化學機制或者某種能源轉化反應，尚存在明顯的問題：①首先是應用和基礎研究之間嚴重脫節(jié)、尚未建立起關聯，而且在脈沖放電等離子體不同階段(起始、發(fā)展和反應)的時空尺度研究之間也存在物理性質和參數傳遞不連續(xù)的情況，以至于沒有形成宏觀實驗參數、能源轉化效果與微觀等離子體性質、參數之間的關聯關系，對等離子體能源轉化反應條件優(yōu)化缺乏足夠的理論指導。②其次是在脈沖火花放電等離子體多種能源轉化領域，不同放電階段的共性物理化學機制可能有很高相似性，但是引發(fā)上述物理化學機制因素或物種完全不相同、且對不同能源轉化反應的效果影響規(guī)律也是完全不相同的。例如空氣體系放電中起始階段的光電離來源、發(fā)展階段的引發(fā)氣體快速加熱激發(fā)態(tài)種類和反應階段的引發(fā)鏈式反應的自由基種類等并不適用于CH4、CO2/CH4等體系；而不同能源轉化反應(CH4轉化、CO2/CH4干重整、氧化固氮等)體系也在反應焓、激發(fā)態(tài)能級等方面存在差異。

總的來說，脈沖火花放電(特別是超快脈沖)在初始、發(fā)展和反應階段均面臨不同物理化學機制不明問題的挑戰(zhàn)以及寬時空尺度的耦合問題，需要結合多種先進的實驗測量手段和模擬仿真方法，研究其物理性質和參數調控。未來研究要跨越脈沖火花放電等離子體多個時間(亞納秒-秒)和空間(微觀-反應器)尺度，并同時在多種能源轉化反應體系(CH4、CO2/CH4、空氣)中分析多種關鍵共性機制。圖4為多種物理化學問題的寬時空尺度耦合分析。具體體現在：①初始階段：亞納秒時空診斷方法，如條紋相機[118-121]、場致激光二次諧波產生技術(Electric field induced second harmonic generation，EFISH)[122-124]等耦合粒子模擬-蒙特卡洛(Particle-in-cell Monte Carlo collision，PIC-MCC)[125]探究電子/光子引導氣體擊穿機制。②發(fā)展階段：高光譜/流場診斷方法，如高分辨光學發(fā)射光譜(Optical emission spectroscopy，OES)、紋影系統(tǒng)[119]耦合流體模型揭示快速氣體加熱機制和通道膨脹效應。③反應階段：振動態(tài)/自由基診斷方法，如激光誘導熒光光譜(Laser-induced fluorescence，LIF)[67，126-127]、相干反斯托克斯拉曼散射光譜(Coherent anti-stokes Raman scattering，CARs)[128-130]耦合反應動力學模型促進非平衡(鏈式)化學反應。

圖4 多種物理化學問題的寬時空尺度耦合分析Fig.4 Wide spatiotemporal scale coupling analysis of various physicochemical problems

4 結語與展望

脈沖火花放電等離子體具有結構緊湊、低能耗和易擴展的獨特優(yōu)勢，已經在CH4高值化、CO2轉化、氧化固氮以及高碳烴裂解等多個能源轉化領域達到領先行列，特別是與其他技術(電催化等)耦合后展現出重要的工業(yè)實際應用前景和價值，在國際上已經獲得了廣泛關注和持續(xù)支持。作為新興的“Power-to-X”技術，脈沖火花放電等離子體能源轉化技術不僅綠色、低碳/零碳、能效高，而且可以即開即停、分布式布局，能夠完全兼容可再生能源的間歇性和波動性，有望成為實現“3060雙碳”目標的潛在替代方案之一。