综述：等离子体活化氮气实现高效合成氨：等离子体氨合成

《Exploration》：Plasma Activate Nitrogen for Efficient Ammonia Synthesis: Plasma Ammonia Synthesis

本综述系统探讨了等离子体技术在合成氨（NH3）领域的创新应用，重点分析了其如何克服传统哈伯-博施工艺（Haber-Bosch Process）的高能耗与高碳排放难题。文章详细阐述了不同等离子体（如DBD、GD、MW、GAD、CD）激活氮气（N2）的机理，包括振动激发（N2(v)）与电子碰撞解离N≡N键，以及在温和条件下与催化剂的协同效应（如Ru/MgO、Ni-Co/CeOx）。通过对比电催化（eNRR）、光催化及热催化耦合等离子体技术的能量效率，指出等离子体活化路径在实现绿色、分布式氨合成中的巨大潜力，为未来低碳化工提供了重要方向。

　　

等离子体增强合成氨技术概述

氨（NH₃）作为工业与农业的核心原料，其传统合成依赖哈伯-博施工艺，需在高温（350–450°C）、高压（100–200 bar）及铁基催化剂作用下进行，消耗全球1%–2%能源并排放大量二氧化碳。氮气（N₂）的高键能（941 kJ mol^?1）与稳定性使其活化成为关键挑战。等离子体技术通过非平衡放电产生高能电子，在常温常压下激发氮气分子，为绿色合成氨提供了新路径。

等离子体增强合成氨的机制

等离子体通过电离、激发与解离等过程，将氮气转化为活性物种（如振动激发态N₂(v)、氮自由基N•）。这些物种在催化剂表面逐步氢化生成NH₃，绕过热催化中N₂解离与NH₃吸附的线性缩放关系。例如，介质阻挡放电（DBD）等离子体与Ru/MgO催化剂耦合时，N₂(v)可降低解离能垒，促进表面氮物种氢化，实现高达44.5 μmol g_cat^?1min^?1的产率。

等离子体类型及其应用

非热等离子体（如DBD、微波放电MW）因电子温度高（～10 eV）而气体温度低，更适合温和条件合成氨。DBD等离子体易于与催化剂集成，但存在NH₃逆分解问题；MW等离子体可实现无电极污染的高效N₂活化，而滑动弧放电（GAD）虽产率高但能耗大。研究显示，Co-Ni/MOF-74在DBD反应器中氨产率可达85.75 μmol g_cat^?1min^?1，凸显催化剂设计（如缺陷工程、单原子分散）对等离子体协同效应的重要性。

等离子体与多技术耦合策略

等离子体与电催化结合（如pNOR-eNO_x^?RR系统），通过等离子体将N₂氧化为NO_x^?，再电还原为NH₃，Ni(OH)_x/Cu催化剂可实现93.74%法拉第效率。光等离子体界面反应利用UV辐射促进H₂O分解产H•，与等离子体活化的氮物种反应；激光诱导等离子体（LIAS）则通过局部高温场提升Fe催化剂活性，初始产率达70.8 μmol g^?1min^?1。

能量消耗与未来展望

传统哈伯-博施工艺能耗仅0.48 MJ mol_NH3^?1，而等离子体路径（如DBD耦合催化剂）可降至20–30 MJ mol_NH3^?1，虽仍较高，但具备与可再生能源（如太阳能、风能）兼容的分布式潜力。未来需优化反应器设计、开发高协同催化剂（如氧空位调控的单原子材料），并深化等离子体-催化剂界面机制研究，以实现绿色合成氨的工业化突破。