On phenomena in ionized gases

 

References 

[1]  T.S.  Ramazanov,  et  al.  Contrib.  Plasma  Phys.  

56 (5) (2016) 425-431. 

[2]  D.H.H.  Hoffmann,  A.  Blazevic,  P.  Ni  et  al. 

Laser and Particle beams 23(2005) 47. 

[3]  J.F. Ziegler, M.D. Ziegler, J.P. Biersack. Nucl. 

Instr. Meth. in Phys. Res. B 268 (2010) 1818–1823. 

[4]  M.H.  Mendenhall,  R.A.  Weller.  Nucl.  Instr. 

Meth. 227 (2005) 420-430. 

272

XXXIII ICPIG, July 9-14, 2017, Estoril/Lisbon, Portugal 

Topic 17 

Atmospheric pressure cold plasma driven Ni/-Al

2

O

3

 catalytic reactor for 

methanation of CO

2

 

 

L. Sivachandiran

1, 2

, P. Da Costa

3

, A. Khacef

1 

1

GREMI, UMR 7344, CNRS-Université d'Orléans, 14 rue d’Issoudun, BP 6744, 45067 Orléans Cedex 02, France. 

2

SRM Research Institute, Depart. of Chemistry, SRM University, Kattankulathur, Kancheepuram 603203 (D.t.), India. 

3

Univ Paris 6, UMR 7190 Sorbonne Univ-CNRS, Institut Jean Le Rond d’Alembert, 2 Pl Gare Ceinture, 78210, France. 

 

Hydrogenation of CO

2

 to CH

4 

was carried out using Ni/-Al

2

O

3 

catalysts coupled with non-thermal 

plasma dielectric barrier discharge reactor (NTP-DBD). The effect of gas temperature (22-400°C), 

plasma input power (25-35 W), and CO

2

 to H

2

 ratio on CO

2

 conversion rate and CH

4

 selectivity has 

been studied. It was evidenced that, compared to conventional thermal catalysis, plasma-catalysis 

coupling  decreased  the  catalyst  activation  temperature,  i.e.  the  CO

2

  conversion,  by  50°C. 

Furthermore,  10  wt%  Ni/-Al

2

O

3

  catalyst  has  shown  about  40%  CO

2 

conversion  and  70%  CH

4

 

selectivity. 

 

Modernization,  deforestation  and  overwhelmingly 

increasing  world  population  are  significantly  increasing 

the atmosphere CO

2

 level. Consequently, several methods 

have been developed to reduce the atmospheric CO

2

 level. 

The  conversion  of  CO

2

  in  other  products  has  attracted 

much  more  attention,  especially  non-thermal  plasma 

(NTP) for CO

2

 conversion [1] and methanation [2]. 

In  this  study,  thermal  catalysis,  plasma,  and  plasma-

catalysis  processes  have  been  investigated  for  direct 

hydrogenation  of  CO

2

  in  a  wide  range  of  temperature, 

plasma input power and CO

2

 to H

2

 ratio. The NTP-catalytic 

reactor is a cylindrical DBD powered by sub-ns HV pulses 

with an amplitude up to 20 kV at frequency up to 500 Hz. 

The  nickel  metal  is  doped  on  -Al

2

O

3 

beads  (1.8  mm 

diameter,  Sasol  Germany  GmbH)  by  wet  impregnation 

method.  Before  each  experiment,  the  Ni/-Al

2

O

3

  catalyst 

(1.5 g) was activated for 20 min at 400°C under H

2

 (5%)/N

2

 

flow. The catalyst was placed in the centre of the plasma 

discharge volume. This configuration, stated as In-Plasma 

Catalysis  (IPC),  leads  to  two  distinguished  discharge 

configurations:  gas  phase  streamer  discharge  before  and 

after the catalyst bed, and surface discharge on the catalyst. 

For all the experiments, the total gas flow rate was fixed 

as  620  ml.min

-1

,  unless  otherwise  mentioned.  CO

2

,  CH

4, 

CO,  and  O

2

  concentrations  were  followed  using  gas 

chromatography (µGC, MyGC-SRA). 

An example of data obtained for plasma alone, catalysts 

alone  (-Al

2

O

3

,  10  wt%  Ni/-Al

2

O

3

),  and  plasma-catalyst 

systems  is  shown  in  Fig.  1.  For  the  investigated 

temperature range -Al

2

O

3

 catalyst, whether used alone or 

coupled  with  plasma,  has  shown  less  than  2%  CO

2

 

conversion. Indeed, Ni doping on -Al

2

O

3

 has significantly 

increased the CO

2

 conversion. Thermal catalytic activity of 

10 wt% Ni/-Al

2

O

3 

catalyst begins above 250C

, 

and about 

55%  of  CO

2

  conversion  is  reached  at  300C.  Under  the 

similar  operating  conditions,  when  10  wt%  Ni/-Al

2

O

3 

is 

coupled  with  plasma,  the  CO

2

  conversion  starts  at  lower 

temperature and 45% CO

2

 conversion is reached at 250°C. 

The  decrease  in  catalyst  activation  temperature  can  be 

correlated to synergetic effect of plasma-catalyst coupling.  

 

Fig. 1. CO

2

 conversion rate as function of temperature 

(plasma conditions: 15 kV and 100 Hz). 

It was evidenced that, without Ni doping on -Al

2

O

3, 

CH

4

 

is  not  produced  for  all  the  investigated  temperatures  as 

reported  in  literature  [3].  This  implies  that  Ni  doped  on 

Al

2

O

3 

are  mainly  involved  in  CO

2

  hydrogenation 

processes.  It  can  be  suggested  that  although  plasma 

dissociates  CO

2 

but  it  does  not  induce  the  hydrogenation 

reaction. At 250

°

C, with or without plasma, 10 wt% Ni/-

Al

2

O

3 

catalyst  has  shown  70%  CH

4

  selectivity.  The 

decrease  in  CO

2

  conversion  and  CH

4

  production  can  be 

attributed to the catalytic partial oxidation of CH

4

 to CO

2

, 

CO,  and  H

2

O  at  high  temperature.  In  that  case  and  at 

300°C, the CO selectivity increased by a factor 2 when the 

combined plasma-Ni/γ-Al

2

O

3

 system is used compared to 

the Ni/γ-Al

2

O

3

 catalyst used alone (from 8 to 4%).  

At a fixed temperature, the increasing of the plasma input 

power  increase  slightly  the  CO

2 

conversion  and  CH

4 

selectivity. However, the CO selectivity rapidly increases 

up to 10% (at 20 kV) evidenced the fact that the injected 

excess  power  probably  promotes  the  CO  formation  from 

CO

2 

and CH

4

. 

[1] D. Mei, X. Zhu, Y.L. He, J.D. Yan, X. Tu. Plasma 

Sources Science and Technology 24 (2015), 015011. 

[2] L. He, Q. Lin, Y. Huang. Journal of Energy Chemistry 

23 (2014), 587. 

[3] E. Jwa, S.B. Lee, H.W. Lee, Y.S. Mok. Fuel Processing 

Technology 108 (2013), 89.  

 

273

XXXIII ICPIG, July 9-14, 2017, Estoril/Lisbon, Portugal 

 

 

Development of the LisbOn KInetics (LoKI) tool

 

  

A. Tejero-del-Caz

1

, D. Nina

1

, S. Jacob

1

, D. Gonçalves

1

, M. Lino da Silva

1

, L. Marques

1,3

,  

N. R. Pinhão

1

, C. D. Pintassilgo

1,2

, V. Guerra

1

 and L. L. Alves

1

 

 

1

 Instituto de Plasmas e Fusão Nuclear, Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa, Lisboa, Portugal  

2

 Departamento de Engenharia Física, Faculdade de Engenharia, Universidade do Porto, Porto, Portugal 

3

 Centro de Física da Universidade do Minho, Universidade do Minho, Braga, Portugal 

 

This work presents the current status of development of LisbOn KInetics (LoKI), a computational 

tool to model non-equilibrium low-temperature plasmas, produced from different gas mixtures for 

a  wide  range  of  working  conditions.  LoKI  comprises  a  Boltzmann  module  (LoKI-B)  and  a 

chemistry  module  (LoKI-C),  coupled  in  a  self-consistent  way,  yielding  the  electron  energy 

distribution  function,  the  electron  swarm  parameters,  the  concentrations  of  the  various  plasma 

species, and the corresponding gain/loss reaction rates. The tool can handle simulations including 

any  gas  mixture,  accounting  for  the  electronic,  vibrational  and  rotational  internal  degrees  of 

freedom of the atomic / molecular excited states present in the discharge.  

 

1. Introduction 

Predictability  in  plasma  science  and  engineering 

based  on  fundamental  modelling  has  been 

considered  a  requirement  for  the  progress  in  the 

field,  and  the  model-based  design  of  plasma 

processes  has  been  identified  as  a  necessary 

capability  to  achieve  industrial  goals.  Therefore, 

there  is  general  agreement  on  the  intellectual  and 

technological 

importance 

of  modelling  low-

temperature plasmas (LTPs). 

Predictive tools for non-equilibrium LTPs should 

describe  the  kinetics  of  both  electrons  and  heavy-

species, the former responsible for inducing plasma 

reactivity  and  the  latter  providing  the  paths  for 

industrial  applications.  Here,  we  focus  on  plasma-

based  environmental  and  biological  applications, 

which  have  recently  attracted  the  interest  of  pure 

and  applied  research.  In  this  context,  we  have 

launched a research project for delivering a KInetic 

Testbed for PLASMa Environmental and Biological 

Applications  (KIT-PLASMEBA),  embodying  a 

MATLAB®  computational  tool  (LisbOn  KInetics, 

LoKI)  linked  to  a  web-platform  (KIT)  containing 

state-of-the-art kinetic schemes. 

  

2. Code implementation 

LoKI  comprises  two  modules  (LoKI-B  and 

LoKI-C) that can run self-consistently coupled or as 

standalone  tools.  The  foundations  for  developing 

this  tool  were  stablished  years  ago  [1].  LoKI-B  (to 

become  open-source)  provides  the  solution  to  the 

homogeneous 

two-term 

electron 

Boltzmann 

equation  [2]  (for  a  pure  gas  or  a  gas  mixture, 

including first and second-kind collisions, as well as 

electron-electron collisions), using the LXCat open-

access  website  [3]  for  obtaining  electron  scattering 

cross section data; LoKI-C gives the solution to the 

system  of  zero-dimensional  (volume  average)  rate 

balance equations for the most relevant charged and 

neutral  species  in  the  plasma.  The  simulations  can 

include  any  gas  mixture,  accounting  for  the 

electronic,  vibrational  and  rotational  internal 

degrees of freedom of the atomic / molecular excited 

states  present  in  the  discharge.  On  output,  LoKI 

yields  the  electron  energy  distribution  function,  the 

electron swarm parameters, the concentrations of the 

various  plasma  species,  and  the  corresponding 

gain/loss reaction rates.  

The  results  are  obtained  either  for  a  prescribed 

constant  pressure,  ensured  by  varying  the  gaseous 

mixture  composition,  or  at  fixed  mass  density.  For 

stationary  discharges,  the  reduced  maintenance 

electric  field  is  self-consistently  calculated  as  an 

eigenvalue  solution  to  the  problem,  under  the 

assumption of quasi-neutrality. 

  

3. Discussion and conclusions 

LoKI  is  a  user-friendly,  scalable  and  upgradable 

tool.  This  work  discusses  its  current  status  of 

development,  presenting  basic  structure,  evidencing 

functionality  and  introducing  test  cases  along  with 

first  results  of  benchmarking  against  other  codes. 

LoKI  development  will  continue  focusing  on  its 

graphical  user  interface  and  on  the  introduction  of 

verification and validation procedures. 

 

4. Acknowledgments 

This  work  was  funded  by  Portuguese  FCT  – 

Fundação  para  a  Ciência  e  a  Tecnologia,  under 

projects  UID/FIS/50010/2013  and  PTDC/FISPLA/ 

1243/2014 (KIT-PLASMEBA). 

 

5. References 

[1] Guerra V and Loureiro J, Plasma Sources Sci. 

Technol. 6 (1997) 373-385

 

[2]  Alves  L  L,  Plasma  Sources  Sci.  Technol.  16 

(2007) 557-569.  

[3] www.lxcat.net 

Topic number: 5 

274

XXXIII ICPIG, July 9-14, 2017, Estoril/Lisbon, Portugal 

 

 

Vibrational excitation kinetics of CO

2

 in a pulsed glow discharge  

 

B.L.M. Klarenaar

1

, 

U

R.Engeln

1

, M.A. Damen

1

, M.C.M. van de Sanden

1,2

, 

A.S. Morillo-Candas

3

, and O. Guaitella

3 

 

1

 Department of Applied Physics, Eindhoven University of Technology, Eindhoven, The Netherlands 

2

 Dutch Institute for Fundamental Energy Research, Eindhoven, The Netherlands 

3

 Laboratoire de Physique des Plasmas, Ecole Polytechnique-CNRS-Univ Paris-Sud-UPMC, Palaiseau, France 

 

Excitation of the asymmetric stretch vibrational mode of CO

2

 is believed to be crucial for an 

efficient plasma assisted dissociation of CO

2

 to CO. Using time-resolved in situ Fourier Transform 

Infrared spectroscopy we gain insight in the vibrational dynamics of CO

2

 in a pulsed glow 

discharge (5/10 ms on/off). FTIR measurements in a discharge at 5 mbar and 50 mA reveal 

excitation of the asymmetric stretch mode of CO

2

, showing a vibrational temperature of 913 K 

versus a rotational temperature of 437 K, at 0.5 ms after plasma-on. Rotational temperatures 

measured using spatially and time-resolved rotational Raman spectroscopy correspond well to the 

FTIR

 

results

 

and show no significant temperature changes over the longitudinal axis of the reactor. 

 

1. CO

2

 reduction for renewable energy storage 

Efficient reduction of CO

2

 to CO is a key step in 

the process of storing renewable energy in the form 

of hydrocarbon fuels. This dissociation process is 

believed to be most efficient when selectively 

exciting the asymmetric stretch mode of CO

2

. We 

study the vibrational dynamics of CO

2

 by 

performing  in situ Fourier Transform Infrared 

(FTIR) spectroscopy, as well as rotational Raman 

spectroscopy on a pulsed glow discharge. Since the 

discharge mechanisms of such a plasma are well 

known, a glow discharge is particularly suitable for a 

fundamental study on vibrational energy levels. 

 

2. Setup and analysis for vibrational kinetics 

The cylindrical plasma reactor (23 cm length, 

2 cm diameter) is operated under flowing conditions 

(7.4 sccm CO

2

) in the millibar range, with a pulsed 

10–50 mA plasma current at 5/10 ms on/off. To 

study the vibrational dynamics by IR absorption, the 

reactor is positioned inside the sample compartment 

of an FTIR spectrometer (Bruker, Vertex 70). The 

step-scan operation mode allows the recording of 

spectra with a temporal resolution of 10 µs, well 

below the millisecond timescale of the plasma. 

For the analysis we developed an algorithm to 

calculate and fit the transmittance spectra of CO

2

 

and CO, using the HITEMP-2010 database. Fit 

parameters include the rotational temperature, T

rot

, 

the temperature of the fermi-coupled symmetric 

stretch (ν

1

) and bending (ν

2

) modes of CO

2

, T

1,2

, and 

the temperature of the asymmetric (ν

3

) mode, T

3

. 

 

3. Analysis

 

results,

 

related

 

to

 

Raman spectroscopy 

Fig. 1 shows a fit at 0.5 ms after plasma-on, 

giving  T

rot

 = 437 K,  T

1,2

 = 459 K,  and  T

3

 = 913 K. 

Hence, a clear asymmetric stretch excitation of CO

2

 

is observed, with respect to the other temperatures. 

Details on a kinetic model used to study these 

experiments are given in [1]. Furthermore, details on 

the important role and kinetics of O atoms in these 

discharges are given in [2]. Additional experiments 

are planned, to study the link between the measured 

vibrational excitation and CO

2

 dissociation. 

Time and spatially-resolved rotational Raman 

measurements are done to study the assumption 

made in the FTIR analysis, i.e. no temperature 

variations along the line-of-sight. Spatially, the 

measured  T

rot

 does not significantly change, while 

temporally, it corresponds well to the IR fits. This 

affirms the validity of both measurement techniques 

and the reliability of vibrational temperatures 

resulting from the infrared absorption experiments. 

 

4. References 

[1] T. Silva et al., abstract submitted to ICPIG 2017. 

[2] A.S. Morillo-Candas et al., abstract submitted to 

ICPIG 2017. 

Topic number 6 

2288

2290

2292

2294

2296

2298

Wavenumbers (cm

-1

)

-0.01

0

0.01

Residual

0.8

0.85

0.9

0.95

1

Transmittance

ν

3

 = 0,1,2,3

Fit

Data

Fig. 1: IR transmittance data and fit of CO

2

 at 0.5 ms after 

plasma-on, at 50 mA and 6 mbar. Absorptions from

transitions with ν

3

 = 0, 1, 2, and 3 are shown separately. 

275

XXXIII ICPIG, July 9-14, 2017, Estoril/Lisbon, Portugal 

 

 

 Comparison of two electric field measurement methods for a kHz 

microsecond atmospheric pressure plasma jet  

 

X. Damany

1

, G. Sretenović

2

, S. Iséni

1

, V. Kovačević

2

, I. Krstić

2

,  

S. Dozias

1

, J.-M. Pouvesle

1

, M. Kuraica

2

 and E. Robert

1

 

 

1 

GREMI, UMR7344 CNRS Université d’Orléans, Orléans, France 

2

Faculty of Physics, University of Belgrade, Serbia 

 

Electric  field  associated  with  a  kHz  microsecond  atmospheric  pressure  plasma  jet  has  been 

measured using two different methods. The first one consists in an electro-optic probe allowing to 

measure  the  electric  field  outside  the  capillary  in  which  propagates  the  plasma.  The  second  one 

relies on Stark polarization spectroscopy on the 492.19nm line of helium. If the first one offers a 

nice time resolution, the second method has a better spatial accuracy but can be used only where 

light is emitted by the plasma. Thus these two methods complement one another and can even be 

compared depending on the conditions. If plasma is powered by a positive polarity voltage pulse 

both  techniques  are  in  good  agreement.  Nevertheless  when  negative  polarity  is  used  some 

discrepancies are observed. 

 

1. Introduction 

Atmospheric  plasma  jets  are  studied  because  of 

the wide range of applications they offers, especially 

in  biomedical  fields.  They  consist  of  an  ionization 

wave  propagating  into  a  rare  gas  followed  by  a 

plasma channel [1]. If the role in biology of reactive 

oxygen  and  nitrogen  species  has  been  highlighted, 

other  components  of  the  plasma  deserves  more 

attention as transient electric fields (EF). This work 

focuses  on  the  measure  of  these  EF  with  two 

different  methods  based  on  Pockels  effect  [2]  or 

Stark  spectroscopy  [3]  for  a  Plasma  Gun  (PG) 

discharge.  Depending  on  the  situation  both 

techniques  can  either  be  complementary  or 

compared.   

2. Experimental Setup  

Plasma  Gun  consists  in  a  vertically  downward 

oriented  capillary  with  an  inner  high-voltage 

electrode  and  an  outer  grounded  one.  Plasma  is 

powered  with  µs-duration  voltage  pulses.  First 

method  to  measure  the  EF  uses  an  electro-optic 

probe (Kapteos), based on Pockels effect and made 

of  a  birefringent  crystal  in  an  alumina  tube.  The 

second  technique,  using  Stark  polarization 

spectroscopy  of  helium  I  492.19nm  line,  has  the 

advantage to be non-perturbative. A 1:1 image of the 

PG  is  created  on  the  70μm-wide  spectrometer  slit. 

The  spectrometer  contains  two  1200  grooves.mm

−1

 

gratings. In presence of strong EF, i.e. in this study 

only  the  one  associated  with  the  ionization  wave, 

forbidden  transitions  become  allowed,  making 

appear  a  forbidden  line  in  the  spectrum.  Moreover 

this  line  is  shifted  according  to  EF  strength.  Thus 

measuring the position of the forbidden line and the 

allowed one can allow to evaluate the EF strength.