高压放电固氮耦合电催化还原合成氨研究.pdf

摘要

氨是一种非常重要的化学品，也是一种很有前景的清洁燃料载体。哈伯-博世

法是合成氨的主要方式，然而哈伯法带来的巨大能源消耗和环境污染问题不可忽

视，因此需要一种绿色环保的合成氨替代技术，以顺应能源环境日益严重的时代

背景和未来清洁燃料的发展趋势。本文将等离子体技术与电催化技术结合，实现

一种等离子体固氮耦合电催化还原NOx-合成氨技术路径，在较高的法拉第效率和

氨产率条件下，完成了长时间、不间断的氨合成。通过对该工艺进行系统实验与

研究，为小型化、分布式的合成氨技术提供实验基础。

首先对液相放电固氮进行研究，包括液膜介质阻挡放电及液相微气泡火花放

电。探索了气液流速、温度等条件对其固氮性能的影响，得到了最佳操作参数。

在气体流速为600mL/min、液体流速为50mL/min，放电电压为18kV的条件下，

液膜DBD放电取得了4.2mM/h的NOx-生成速率以及128.57MJ/mol的能耗；在

重复频率为1000Hz，气体流量2L/min，液体温度为10℃的条件下，液相为微气

泡火花放电取得了2.49mM/h的NOx-生成速率以及10.14MJ/mol的能耗。液相放

电存在着NOx-生成速率低和能耗高的缺点。

随后对气相放电固氮进行研究，采用交流源驱动的滑动弧放电进行固氮，对

滑动弧放电图像、放电波形、放电过程的发射光谱进行采集和分析：滑动弧放电

具有三种工作模式，不同模式具有不同的放电特性。A-G模式下存在稳定的电弧，

等离子体偏向热平衡状态，有利于固氮过程发生。对不同气体流速及放电模式下

的固氮性能进行研究，在A-G工作模式、气体流速为1L/mol的条件下滑动弧放

电取得了最佳固氮能耗为1.9MJ/mol，NO浓度为1.05%。结果显示滑动弧放电能

x

耗低、产生NOx-浓度高，是一种适合与电催化系统耦合的等离子体固氮方法。

最后对电化学固氮系统进行研究，制备一种CuO纳米线催化剂，并使用微

2

观表征手段对其形貌、结构和成分进行分析，实验证明将CuO纳米线催化剂用

2

NOx-的还原，显示出良好的电催化活性。开展了不同放电形式固氮产物、不同浓

度溶液和反应电位的电催化合成氨研究，得到了最佳运行参数。进行了等离子体

固氮耦合电催化合成氨实验，在等离子体技术的辅助下，整个过程中电解质中的

反应物浓度保持在较高的水平。最终，在等离子体固氮耦合电催化还原合成氨技

术路径下，氨产率达到0.648mmolh-1cm-2,法拉第效率为86.97%。

关键词：固氮；合成氨；等离子体；电化学

Abstract

Ammoniaisacrucialchemicalandapromisingcarrierforcleanfuel.TheHaber-

Boschprocessistheprimarymethodforsynthesizingammonia;however,thesignificant

energyconsumptionandenvironmentalpollutionassociatedwiththeHaberprocess

cannotbeignored.Therefore,theneedforeco-friendlyalternativetechnologyfor

synthesizingammoniaisgrowing,tocomplywiththeincreasinglysevereenergyand

environmentalchallengesandthefuturetrendofcleanfueldevelopment.Thispaper

combinesplasmatechnologywithelectrocatalysisto