多孔介质阻挡放电等离子体：一种高效节能的温和氨合成策略

研究人员针对传统Haber-Bosch工艺(HBP)高能耗、高排放的问题，创新性地开发了多孔介质阻挡放电(MDBD)等离子体反应器，实现了常压条件下氮气氢化合成氨(NH3)。通过系统研究放电特性和反应参数，发现在1.15 W的"闪烁"模式下可获得1.78 g/kWh的能量效率(EE)和34.35 MJ/mol的能耗(EC)，为分布式绿色氨生产提供了新思路。

　　

氨(NH₃)作为重要的化工原料和潜在的无碳能源载体，其工业生产长期依赖高能耗的Haber-Bosch工艺(HBP)，该工艺需要在450-600°C高温和10-25 MPa高压下进行，每年消耗全球2%的能源并产生4.5亿吨CO₂排放。如何实现温和条件下的高效氨合成，成为能源化工领域亟待解决的世界性难题。

针对这一挑战，浙江大学能源清洁利用国家重点实验室的研究团队创新性地开发了多孔介质阻挡放电(MDBD)等离子体反应器。这种新型反应器通过独特的结构设计，实现了在常压条件下氮气(N₂)的高效氢化，为绿色氨合成提供了全新解决方案。相关研究成果发表在《Fuel Processing Technology》期刊上。

研究人员采用多种先进表征技术开展系统研究：通过电学特性分析捕捉瞬态放电动力学；利用光学发射光谱(OES)诊断活性中间体；结合高速摄影记录放电行为；建立等效电路模型分析电容特性；并系统考察了进气组成、流量和比能量输入(SEI)等参数对反应性能的影响。

研究结果揭示了MDBD的独特优势：

1. 电学特性表征发现MDBD存在"闪烁"和"稳态"两种放电模式，在1.15 W低功率下即可实现高效放电。
2. OES诊断确认了NH自由基等关键中间体的存在，测得振动温度(T_vib)达4510 K而旋转温度(T_rot)仅304 K，证实了等离子体的非平衡特性。
3. 反应参数优化表明N₂:H₂=1:1时效果最佳，在600 sccm流量下EE可达0.93 g/kWh。
4. 能量效率分析显示"闪烁"模式(1.78 g/kWh)优于"稳态"模式(1.32 g/kWh)，这得益于脉冲式放电减少了NH₃的二次解离。

这项研究的重要意义在于：首次系统阐明了MDBD等离子体的物理化学特性；实现了超低功率(1.15 W)下的高效氨合成；提出的"闪烁"模式放电机制为等离子体反应器设计提供了新思路；技术经济分析表明该方法特别适合与可再生能源耦合，为分布式绿色氨生产开辟了新途径。研究团队Shanzhi Liu、Jiabao Lv等通过创新性的反应器设计和系统深入的研究，证明了MDBD技术在实现高效、环保、分布式氨合成方面的巨大潜力，为推动化工行业低碳转型提供了重要技术支撑。