论文标题：Plasma-assisted ammonia synthesis under mild conditions for hydrogen and electricity storage: Mechanisms, pathways, and application prospects

期刊：Frontiers in Energy

作者：Feng GONG, Yuhang JING, Rui XIAO

发表时间：15 Aug 2024

DOI：10.1007/s11708-024-0949-1

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氨的合成对人类社会产生了重大影响。近日，东南大学肖睿教授在《Frontiers in Energy》期刊发表了题为“Plasma-assisted ammonia synthesis under mild conditions for hydrogen and electricity storage: Mechanisms, pathways, and application prospects”的综述文章。该综述对大气压低温介质阻挡放电（DBD）等离子体辅助合成氨技术进行了全面分析，涵盖了等离子体固氮的反应途径、机理和催化剂体系。根据目前的研究，综述中评估了DBD等离子体辅助氨合成技术的经济可行性，分析了现有的困境和挑战，并为非热等离子体氨工艺的未来提供了见解和建议。

等离子体合成氨是一项新兴技术，为传统的H-B法提供了一种清洁、温和的替代方法。等离子体合成氨与传统方法的一个主要区别是等离子体中会产生高能电子，它可以刺激气相分子增强催化剂上的表面反应。等离子体辅助催化反应涉及均相等离子体相反应（其中自由基在没有催化剂的情况下在空间中被激发）和在催化剂表面发生的非均相表面反应的组合。与依赖吸附-解离反应来断裂N≡N键的热催化反应不同，等离子体激发高能电子来断裂N≡N键。

同轴介质阻挡等离子体反应涉及由电源和调节器提供的高能电压，以激发气体分子进入等离子体状态。该反应通常结合均相等离子体相反应与在催化剂表面发生的非均相表面反应。虽然等离子体辅助氨合成可以在没有催化剂的情况下进行，但速率较低。然而，添加催化剂可以将反应速率提高至少50%或更多，因为催化剂表面的反应提高了氨生产的加氢效率。因此，增强DBD中催化剂的作用促进离子体反应是实现等离子体应用价值最大化的关键。目前，主流催化体系包括单质催化剂和金属载体催化剂。

尽管H-B工艺技术已经成熟，并且正在开发许多新型催化剂，但它在克服高温高压条件下的动力学限制方面仍然面临挑战。工业氨合成仍然是能源密集型的，严重依赖化石燃料。当前的研究越来越多地集中在可以轻松与可再生能源整合的替代氨合成工艺上。等离子体辅助氨合成技术由于能够利用分布式能源和水电解来生产氢气，因此前景广阔。与H-B工艺不同，等离子体辅助氨合成利用高能电子增强催化剂表面反应，无需大型设备或极端反应条件。该过程可以用小型等离子体发生器启动，并与风能等可再生能源无缝集成，减少产品运输过程中的能源消耗。然而，等离子体固氮的高能耗带来了重大挑战，需要进一步评估其能源效率、二氧化碳排放和氨定价竞争力。

综上所述，使用完全可再生能源的绿色合成氨技术正受到广泛关注。然而，等离子体固氮技术在基础科学理解和实际工程应用方面仍然面临着各种挑战：1）纳米级孔隙水平的微观放电机制不明确。2）等离子体物质与催化剂之间的相互作用仍不清楚。3）催化剂的能源效率和转化率在过去10年里提高了近10倍，但仍然较低。

文章信息

Abstract:

Ammonia, with its high hydrogen storage density of 17.7 wt.% (mass fraction), cleanliness, efficiency, and renewability, presents itself as a promising zero-carbon fuel. However, the traditional Haber-Bosch (H-B) process for ammonia synthesis necessitates high temperature and pressure, resulting in over 420 million tons of carbon dioxide emissions annually, and relies on fossil fuel consumption. In contrast, dielectric barrier discharge (DBD) plasma-assisted ammonia synthesis operates at low temperatures and atmospheric pressures, utilizing nitrogen and hydrogen radicals excited by energetic electrons, offering a potential alternative to the H-B process. This method can be effectively coupled with renewable energy sources (such as solar and wind) for environmentally friendly, distributed, and efficient ammonia production. This review delves into a comprehensive analysis of the low-temperature DBD plasma-assisted ammonia synthesis technology at atmospheric pressure, covering the reaction pathway, mechanism, and catalyst system involved in plasma nitrogen fixation. Drawing from current research, it evaluates the economic feasibility of the DBD plasma-assisted ammonia synthesis technology, analyzes existing dilemmas and challenges, and provides insights and recommendations for the future of nonthermal plasma ammonia processes.

Cite this article:

Feng GONG, Yuhang JING, Rui XIAO. Plasma-assisted ammonia synthesis under mild conditions for hydrogen and electricity storage: Mechanisms, pathways, and application prospects. Front. Energy, 2024, 18(4): 418–435

https://doi.org/10.1007/s11708-024-0949-1

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作者简介

巩峰，东南大学能源与环境学院副书记兼副院长、博士生导师，能源热转换及其过程测控教育部重点实验室副主任。主要从事生物质基储能碳材料的应用基础研究，在Nature Communications、Advanced Materials等著名学术期刊发表SCI论文96篇，11篇论文先后入选ESI高被引论文，2篇入选热点论文。SCI他引3016次，h因子33。先后主持国家自然科学基金项目2项、国家重点研发计划子课题项目2项、省部级项目3项、以及其他项目10余项。受邀担任SCI期刊Fuel Processing Technology (Q1, IF=8.1)和Science of the Total Environment (Q1, IF=10.8)的专刊编辑，以及期刊Sustainable Environment、Decarbon、《物理化学学报》和《能源环境保护》的青年编委。

肖睿，东南大学能源与环境学院院长，能源热转换及其过程测控教育部重点实验室主任，东南大学首席教授、博士生导师，国家杰出青年基金获得者，教育部长江学者特聘教授，“万人计划”科技创新领军人才。江苏省能源研究会理事长，中国可再生能源学会生物质能专委会副理事长，《Fuel Processing Technology》副主编，《International Journal of Greenhouse Gas Control》、《太阳能学报》等10余种刊物编委。以第1完成人身份获得国家科技进步二等奖1项、教育部自然科学一等奖1项、江苏省科学技术一等奖2项、中国发明专利优秀奖1项，以主要完成人身份获其他省部级奖4项。在包括Science在内的国内外核心刊物上发表论文340余篇，其中SCI收录论文260余篇，论文被SCI他引近10000次，获授权国家发明专利40余项。

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