27 research outputs found
Hydrophobic and superhydrophobic surfaces fabricated using atmospheric pressure cold plasma technology: A review
No full textSpecial Issue “Micro and Nanotechnology: Application in Surface Modification”
No full textSurface modification is crucial to the fabrication of (multi)functional materials and interfaces for a range of applications, such as superhydrophobic and self-cleaning surfaces, anti-biofouling and antibacterial coatings, dropwise condensation, packaging materials, sensors, catalysis, and photonics [...
Chemical vapor deposition of hydrogenated microcrystalline silicon using high electron density plasmas
No full textΤο μικροκρυσταλλικό υδρογονωμένο πυρίτιο (μc-Si:H) βρίσκει ευρεία εφαρμογή ως ενδογενής ημιαγωγός σε φωτοβολταϊκές ιδιοσυσκευές απλής και ανάστροφης δομής (tandem). Το πλεονέκτημά του σε σχέση με το άμορφο υδρογονωμένο πυρίτιο (a-Si:H) είναι η ενισχυμένη απορρόφηση στην περιοχή του υπερύθρου φάσματος λόγω του χαμηλού ενεργειακού χάσματος (1,1 eV) αλλά και η απουσία υποβάθμισης την ποιότητας του υλικού εξαιτίας του φαινομένου Staebler και Wronski. Από την άλλη πλευρά, το μικροκρυσταλλικό πυρίτιο παρουσιάζει χαμηλότερη απορρόφηση στο ορατό φάσμα σε σχέση με το άμορφο πυρίτιο με αποτέλεσμα να απαιτείται μεγαλύτερο πάχος της ενδογενούς στοιβάδας (0,8 – 1,5 μm) για την αποτελεσματική οπτική απορρόφηση [1,2]. Χρησιμοποιώντας την τυπική για την εναπόθεση λεπτών υμενίων άμορφου πυριτίου τεχνική της χημικής εναπόθεσης ατμών ενισχυμένη με πλάσμα (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition – PECVD) στη συχνότητα 13,56 MHz οι ρυθμοί εναπόθεσης για το μικροκρυσταλλικό πυρίτιο είναι αρκετά χαμηλοί με αποτέλεσμα οι χρόνοι εναπόθεσης να είναι απαγορευτικοί για τη βιομηχανία. Έτσι γίνεται επιτακτική η ανάγκη για υψηλούς ρυθμούς εναπόθεσης (> 5 Å/s) ούτως ώστε να είναι εφικτή η παραγωγή φωτοβολταϊκών κελιών χαμηλού κόστους.Στην παρούσα εργασία μελετήθηκαν εναλλακτικές τεχνικές ενίσχυσης του ρυθμού εναπόθεσης λεπτών υμενίων μικροκρυσταλλικού υδρογονωμένου πυριτίου με σκοπό την εφαρμογή τους σε φωτοβολταϊκές συσκευές λεπτών υμενίων πυριτίου. Μια από αυτές τις τεχνικές είναι η χρήση πηγών πλάσματος υψηλής πυκνότητας ηλεκτρονίων με σκοπό την ενίσχυση του ρυθμού διάσπασης των αντιδρώντων αερίων που θα οδηγήσει σε αυξημένους ρυθμούς εναπόθεσης. Μια άλλη τεχνική αφορά στη χρήση εναλλακτικού μίγματος αντιδρώντος αερίων αντί του τυπικού μίγματος SiH4/H2. Με βάση αυτά λοιπόν η διατριβή χωρίζεται σε δύο μέρη. Το πρώτο μέρος πραγματεύεται την κατασκευή πηγής πλάσματος τύπου hollow cathode και την χρήση της για την εναπόθεση λεπτών υμενίων πυριτίου με υψηλούς ρυθμούς. Στο δεύτερο μέρος μελετάται η χρήση Si2H6 ως επιπρόσθετο αντιδρών στο μίγμα SiH4/H2 και η επίδραση που έχει στο ρυθμό ανάπτυξης και την ποιότητα των λεπτών υμενίων πυριτίου.Στο πρώτο μέρος της διατριβής μελετήθηκε η χρήση πηγής πλάσματος υψηλής πυκνότητας ηλεκτρονίων τύπου hollow cathode με σκοπό την ενίσχυση του2ρυθμού εναπόθεσης λεπτών υμενίων μικροκρυσταλλικού πυριτίου. Μια τέτοια πηγή αποτελείται από μια ή περισσότερες κοιλότητες στην επιφάνεια του πολωμένου ηλεκτροδίου κι έχει αποδειχθεί ότι οδηγεί σε αρκετά υψηλότερες πυκνότητες ηλεκτρονίων σε σχέση με μια συμβατική πηγή χωρητικής σύζευξης (CCP). Τα δευτερογενή ηλεκτρόνια που εκπέμπονται από την επιφάνεια της καθοδικής κοιλότητας παγιδεύονται ανάμεσα στα απωθητικά δυναμικά των περιβλημάτων της κοιλότητας και ενισχύουν το ρυθμό ιονισμού των ουδέτερων μορίων με αποτέλεσμα το πλάσμα που δημιουργείται να επιδεικνύει μια δραστική ενίσχυση της πυκνότητας των ηλεκτρονίων [3]. Το γεγονός αυτό καθιστά την πηγή αυτή κατάλληλη για εναποθέσεις υλικών και εξεργασία επιφανειών. Όσον αφορά το μικροκρυσταλλικό πυρίτιο, η χρήση πηγής hollow cathode πολλαπλών καθοδικών κοιλοτήτων έδειξε εντυπωσιακά αποτελέσματα όσον αφορά την ενίσχυση του ρυθμού εναπόθεσης [4,5].Στην πλαίσια της διατριβής κατασκευάστηκαν δύο διαφορετικά σε γεωμετρία ηλεκτρόδια τύπου hollow cathode τα οποία αποτελούνται από πολλαπλές κοιλότητες και διαφέρουν στον αριθμό και το μέγεθος αυτών των κοιλοτήτων. Τα δύο ηλεκτρόδια κατασκευάστηκαν από αλουμίνιο και έχουν κυλινδρικό σχήμα με διάμετρο 120 mm. Το πρώτο ηλεκτρόδιο (HC1) αποτελείται από 40 κοιλότητες μήκους 5 mm και διαμέτρου 3mm [6]. Το δεύτερο ηλεκτρόδιο τύπου hollow cathode (HC2) αποτελείται από λιγότερες κοιλότητες, 12 τον αριθμό, οι οποίες όμως έχουν αρκετά μεγαλύτερες διαστάσεις σε σχέση με το ηλεκτρόδιο HC1. Πιο συγκεκριμένα, οι κοιλότητες έχουν μήκος 18 mm και διάμετρο 20 mm.Η γεωμετρία της πηγής επηρεάζει σημαντικά τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά μιας εκκένωσης hollow cathode και ο συνδυασμός πίεσης και γεωμετρίας παίζει τον πιο σημαντικό ρόλο στην κατανάλωση ισχύος και την μετάβαση σε hollow cathode λειτουργία [7]. Για το λόγο αυτό μελετήθηκε και βελτιστοποιήθηκε η πηγή όσον αφορά την πίεση και τη γεωμετρία σε εκκενώσεις καθαρού Η2 το οποίο βρίσκεται σε περίσσεια στο μίγμα με το SiH4 κατά την εναπόθεση λεπτών υμενίων πυριτίου. Η βελτιστοποίηση της διεργασίας όσον αφορά στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά επικεντρώνεται στην ενίσχυση του ρεύματος της εκκένωσης και της μέσης πυκνότητας ηλεκτρονίων για σταθερή τάση στο πολωμένο ηλεκτρόδιο, αλλά και στην μεγιστοποίηση της απόδοσης στη μεταφορά ισχύος από την γεννήτρια στο πλάσμα...
Direct Conversion of Ethane to Oxygenates, Ethylene, and Hydrogen in a Noncatalytic Biphasic Plasma Microreactor
No full textThis document is the Accepted Manuscript version of a Published Work that appeared in final form in ACS Sustainable Chemistry and Engineering, copyright © 2023 American Chemical Society after peer review and technical editing by the publisher. To access the final edited and published work see https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.3c01594. This article will be embargoed until 05/29/2024.We selectively upgrade ethane (C2H6) to ethanol (C2H5OH), methanol (CH3OH), and acetic acid (CH3COOH) in a catalyst-free, continuous, argon/water biphasic plasma microreactor. The water (H2O) evaporates and electron- dissociates into OH· radicals. OH· recombines with alkyl radicals, produced via electron dissociation of ethane, to generate the oxygenates that absorb into H2O. A plasma-assisted path, reminiscent of the low-temperature thermocatalytic ethane steam reforming, leads to significant H2 coproduction. The gaseous stream also comprises CO2 and C2H4. Up to 1.3 and 1 μmol min–1 of liquid C2H5OH and CH3OH are attained, respectively. Compared to CO2-assisted ethane plasma conversion, which produces many oxygenates with low selectivity, the carbon selectivity can range from >70% C2H5OH, CH3OH, and CH3COOH to 60% C2H4. The low carbon footprint, electrified, modular, intensified process using a reactive evaporation and separation plasma could pave the way for the valorization of underutilized shale gas resources in remote areas.This work was supported by the U.S. Department of Energy’s Office of Energy Efficient and Renewable Energy’s Advanced Manufacturing Office under Award Number DE-EE0007888-8.3. The Delaware Energy Institute gratefully acknowledges the support and partnership of the State of Delaware toward the RAPID projects
A Review of Fabrication Methods, Properties and Applications of Superhydrophobic Metals
No full textHydrophobicity and superhydrophobicity with self-cleaning properties are well-known characteristics of several natural surfaces, such as the leaves of the sacred lotus plant (Nelumbo nucifera). To achieve a superhydrophobic state, micro- and nanometer scale topography should be realized on a low surface energy material, or a low surface energy coating should be deposited on top of the micro-nano topography if the material is inherently hydrophilic. Tailoring the surface chemistry and topography to control the wetting properties between extreme wetting states enables a palette of functionalities, such as self-cleaning, antifogging, anti-biofouling etc. A variety of surface topographies have been realized in polymers, ceramics, and metals. Metallic surfaces are particularly important in several engineering applications (e.g., naval, aircrafts, buildings, automobile) and their transformation to superhydrophobic can provide additional functionalities, such as corrosion protection, drag reduction, and anti-icing properties. This review paper focuses on the recent advances on superhydrophobic metals and alloys which can be applicable in real life applications and aims to provide an overview of the most promising methods to achieve sustainable superhydrophobicity
Numerical analysis of partial discharge ignition in H2 bubbles floating in dielectric oils, for High-Voltage Solid State Transformer applications
No full textWe report on a self-consistent numerical analysis campaign of partial discharge (PD) ignition in H2 bubbles floating in biobased dielectric oils. We investigate various configurations (bubble sizes, bubble position, existence of protrusion) on a cylinder-to-cylinder setup that emulates a specific SST module (from SSTAR Horizon Europe project) under transient overvoltage as well as in its design operational conditions (VRMS = 66 kV, AC excitation of 50 Hz). Our results on electrical characteristics and plasma dynamics leading to the PD ignition, indicate that under transient overvoltage and for mm size bubbles (diameter 1 -4.5 mm), the smaller the bubble the less the inception voltage, while the peak inception voltage is higher than 70 kV. The existence of metallic protrusion can affect the inception voltage of a remote floating bubble only slightly and when this is close to the sharp tip. The extreme scenario of a protrusion in contact (inside) a gas bubble severely affects the insulation properties and drops the PD inception voltage remarkably. The larger the bubble and the sharper the tip of the protrusion the lower the inception peak voltage, that can reach values well below 40 kV. On the contrary and under design operation, larger bubbles increase the severity and probability of PD events, leading to lower instantaneous inception voltages. Current pulses produced in bubbles can quickly transit to intense streamer discharges (which can also transit to catastrophic arcing) if the operational frequency is reduced and/or under transient, HF overvoltage.Submitted to IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulatio
Plasma Surface Modification of Epoxy Polymer in Air DBD and Gliding Arc
No full textWe studied the epoxy polymer surface modification using air plasma treatment in a Gliding Arc (GA) plasma reactor and a pulsed Dielectric Barrier Discharge (DBD). We employed optical emission spectroscopy (OES) measurements to approximate the vibrational and rotational temperatures for both plasma sources, as well as surface temperature measurements with fiber optics and IR thermography to corelate with the corresponding hydrophilization of the epoxy material. Water contact angle measurements revealed a rapid hydrophilization for both plasma sources, with a slightly more pronounced effect for the air DBD treatment. Ageing studies revealed stable hydrophilicity, with water contact angle saturating at values lower than 50°, corresponding to a >50% decrease compared to the untreated epoxy polymer. ATR-FTIR spectroscopy studies showed an additional absorption band assigned to carbonyl group, with its peak intensity being higher for the DBD treated surfaces. The spectra were also correlated with the surface functionalization via the relative peak area ratio of carbonyl to oxirane and benzene related bands. According to SEM imaging, GA plasma treatment led to no apparent morphological change, contrary to DBD treatment, which resulted in nano-roughness formation. The enhanced surface oxidation as well as the nano-roughness formation on epoxy surface with the air DBD treatment were found to be responsible for the stable hydrophilization
Direct Conversion of Ethane to Oxygenates, Ethylene, and Hydrogen in a Noncatalytic Biphasic Plasma Microreactor
No full textWe selectively upgrade ethane (C2H6) to ethanol
(C2H5OH), methanol (CH3OH), and acetic
acid (CH3COOH) in a catalyst-free, continuous, argon/water
biphasic plasma microreactor. The water (H2O) evaporates
and electron- dissociates into OH· radicals. OH· recombines
with alkyl radicals, produced via electron dissociation of ethane,
to generate the oxygenates that absorb into H2O. A plasma-assisted
path, reminiscent of the low-temperature thermocatalytic ethane steam
reforming, leads to significant H2 coproduction. The gaseous
stream also comprises CO2 and C2H4. Up to 1.3 and 1 μmol min–1 of liquid C2H5OH and CH3OH are attained, respectively.
Compared to CO2-assisted ethane plasma conversion, which
produces many oxygenates with low selectivity, the carbon selectivity
can range from >70% C2H5OH, CH3OH,
and CH3COOH to 60% C2H4. The low
carbon footprint, electrified, modular, intensified process using
a reactive evaporation and separation plasma could pave the way for
the valorization of underutilized shale gas resources in remote areas
Biphasic Plasma Microreactor for Oxyfunctionalization of Liquid Hydrocarbons
No full textThis document is the Accepted Manuscript version of a Published Work that appeared in final form in Industrial & Engineering Chemistry Research, copyright © 2024 American Chemical Society after peer review and technical editing by the publisher. To access the final edited and published work see https://doi.org/10.1021/acs.iecr.4c00605. This article will be embargoed until 05/22/2025.Oxyfunctionalization of linear alkanes is important but challenging to achieve. Herein, we demonstrate a biphasic gas–liquid modular plasma microreactor utilizing Ar/O2 gas to selectively oxidize liquid n-dodecane (C12) in an electrified, catalyst-free fashion. C12 secondary alcohols and ketones are the major products, with selectivities of 45–60% and a maximum yield of 23%. Fine-tuning gas and liquid flow rates enhance the plasma–liquid interfacial area, leading to a conversion of >50%. Difunctional and oligomerized oxygenates, alongside lighter hydrocarbons stemming from carbon–carbon cleavage, form at higher conversions. The energy efficiency (0.189 μmol/J) of the modular microreactor is the highest reported among plasma systems. Alkane conversion can be further improved by increasing the length of the plasma region while maintaining excellent energy efficiencies. Similarly, sequential processing/recirculation can enhance the extent of the reaction. This system is also amenable to treating mixtures of liquid n-alkanes, where smaller hydrocarbons are oxidized preferentially to a certain extent. The vapor pressure and liquid temperature are the key parameters. The chemistry occurs primarily in the gas phase for the lighter hydrocarbons and switches to interfacial reactions for the larger ones.This work was supported as part of the Center for Plastics Innovation, an Energy Frontier Research Center funded by the US Dept. of Energy, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences under award number DE-SC0021166
Plasma technology for lignocellulosic biomass conversion toward an electrified biorefinery
No full textAn overview of plasma technology for the electrified and sustainable conversion of lignocellulosic biomass.Lignocellulosic biomass conversion to renewable, carbon-neutral materials, fuels, and chemicals is the cornerstone of the transition to a sustainable future bioeconomy. Green energy in the form of electricity needs to be coupled with or substitute conventional thermally driven processes to realize small-scale, economically viable and environmentally friendly biorefineries. Gas discharge plasmas enable the conversion of renewable electric energy, supplied in the form of an electric field, to chemical energy through the formation of a highly reactive environment that can induce several transformations related to agricultural waste valorization processes. Herein, we review the application of plasma technology to lignocellulosic biomass upgrade, aiming to provide the scientific background and technical challenges in this rapidly emerging research field. To bridge the gap between plasma science and biomass valorization technologies, we initially present the technical aspects of plasma reactors related to biomass processing and further discuss the advances in plasma processing for each biomass conversion technology, providing insights into the related plasma chemistry and interaction mechanisms. We first focus on the low and medium-temperature biomass conversion processes, including biomass pretreatment and delignification to promote enzyme or acid-catalyzed hydrolysis to sugars and biomass liquefaction using plasma electrolysis. Then we discuss the high and very high-temperature conversion processes, such as plasma-assisted pyrolysis and gasification to syngas and plasma application to tar removal, combustion, and vitrification. Overall, this review provides knowledge at the interface of plasma science and biomass conversion technology to promote the interaction between the individual communities, which is crucial for the further advancement of the field
