潘冠綸 / 工研院綠能所
前言
ISPlasma/IC-PLANTS及APSP為亞洲重要國際電漿技術暨應用研討會，前者探討議題主要與先進電漿技術發展相關；而APSPT則側重於電漿理論與應用。會議首次將ISPlasma/IC-PLANTS及APSPT合併舉辦，此次會議主題與領域可歸納為：①環境應用(Environment)、②奈米材料(Nanomaterials)、③生物應用(Bio Applications)、④農業應用(Agriculture) 及⑤新穎電漿技術探討。此外，全球暖化、能源及資源短缺亦為會議探討重點之一。本文將針對上述議題精要摘錄，供相關技術背景讀者參閱，以利開啟研發新方向及思維。
研討會重點摘錄
一、環境領域應用
2. 碳氟化合物(Perfluorocarbons; PFCs)去除
PFCs為重要溫室氣體，其廣泛用於半導體產業。八氟環丁烷(C4F8)主要被用於半導體製程之蝕刻及化學沉積(Chemical Vapor Deposition; CVD)，C4F8全球暖化潛勢為10,300 (Global Warming Potential; GWP100)，大氣存活時間達3,200年。過去針對PFCs去除技術主要為燃燒法，缺點為須於高溫條件下操作，除了能耗高，亦不具操作彈性。
電漿程序產生之ROS有高度可行性將PFCs氧化及去除。中央大學張木彬教授利用電漿催化(即電漿結合觸媒)系統探討C4F8去除可行性，相關結果如圖四所示，指出電漿結合Al2O3/Zr/SO42 (AZS)具有最佳性能，最高轉化效率可>90%，機制解析如圖五所示。除了ROS氧化反應外，RNS (Reactive Nitrogen Species)亦扮演重要角色，透過電漿程序中之連續碰撞反，C4F8可被為分解為CxFy等系列不穩定物種，並吸附於觸媒表面，進而可透過ROS氧化為無害CO2。
圖四、電漿催化系統用於C4F8去除結果
4. CO2甲烷化技術
甲烷化(Methanation)係將二氧化碳(CO2)轉為甲烷的氫化過程，不僅為抑制全球暖化方法之一，亦可視為潛力的儲能技術，Methanation近年更被日本國家視為零碳社會關鍵。傳統技術上，Methanation程序係透過觸媒催化方式，於觸媒材料選擇上，多以貴金屬為主，操作溫度則需>350℃，有成本及能耗高之問題。東京工業大學及大阪大學研究團隊合作發表電漿催化(電漿結合觸媒)用於Methanation(如圖八所示)，原理相似於前文張木彬教授團隊之電漿跟觸媒用於去除空污主題。此論文同時比較單獨觸媒與電漿催化技術對Methanation性能，結果指出，後者對CO2轉化技術可達近60%；反之，單獨觸媒應用對CO2轉化僅20%。在機制探討中，係以Eley-Rideal Mechanism估算兩系統於Methanation程序之活化能，單獨觸媒及電漿催化技術分別為89 kJ/mol及59 kJ/mol，指出電漿催化於Methanation程序具有更佳反應性能。
5. 電漿固碳技術
全球暖化(Global Warming)係因人為排放過量溫室氣體(Greenhouse Gas)所致，如圖九顯示，日本排放的溫室氣體中，以二氧化碳對全球暖化影響最鉅，占90%，而先前小節所提的PFCs僅占0.3%。CO2的捕獲及封存(CO2 Capture and Storage; CCS)，以及CO2的捕獲、利用及封存(CO2 Capture, Utilization and Storage; CCUS)為可行及潛力之技術，原理是利用胺類化合物將CO2吸收，進一步將其儲存於地底再利用。但CCS/CCUS成本高昂、技術門檻高，且易受限於地理環境因素，至今仍無法普及應用。岐阜大學首創利用Plasma Jet方法，將CO2解離，並固化於可用基材上，此法概念不僅可減少CO2排放，減緩暖化效應，亦可將CO2轉為具有高價C-based材料。如圖十所示，該論文係將含碳氣體導入至Plasma Jet反應器，氣體於反應器將以高流速條件通過電極，當電極施加高壓電後，則可於反應氣口產生電漿焰。進一步將含碳氣體解離並Coating於不同金屬材質表面，包含鋁(Al)、鐵(Fe)、鎳(Ni)及銅(Cu)。於探討不同碳固化基材特性，結果顯示Al效果最佳，此篇論文出發思維有趣，但未來應用上能需考量其應用可行性。
圖十、電漿Jet之CO2固化技術之論文
四、新穎電漿技術探討
1. 細微氣泡影響水中放電效率
如先前章節所提，液態電漿為新穎水處理技術，其產生ROS及RNS不僅可有效去除水中微生物(病毒及致病菌)外，亦可誘發強震波(Strong Shock Wave)及產生高能電子及活性自由基，故可用於處理水中有機物及PFAs。然而，液態電漿應用關鍵瓶頸在於能耗較高，原因為水的介電崩潰強度高(為空氣10倍)，故要於水中產生電漿需輸入大量能量。而在液態電漿導入氣泡機制可顯著上改善能耗問題，原因在於：①氣泡可增加水中氣體密度，使水的介電崩潰強度降低；②促進電子流現象；③改善能量效率。此外，氣泡於水中具有優勢，如氣泡具有氣-液接觸面積，且因浮力減少，可均勻分布水中與污染物反應；氣泡表面帶有負電特性，故可吸附水中固態污染物。
氣泡雖在液態電漿領域扮演多數為有利角色，但亦有不利影響需進行探討。岩手大學(Iwate University)、京都大學(Kyoto University)及東北大學(Tohoku University)共同發表細微氣泡影響水中電漿產生效率(圖十五)，針對不同氣體產生粒徑分析，指出 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。