2020年8月7日，ACS Sustainale Chemistry & Engineering期刊发表了比利时安特卫普大学化学系Yury Gorbanev博士后团队的题为“Nitrogen Fixation with Water Vapor by Nonequilibrium Plasma: toward Sustainable Ammonia Production”的研究报告。

目前的工业氨生产严重依赖化石资源，但许多工作都投入到不依赖化石能源的制氨途径的开发上。其中包括非平衡等离子体的使用。该项工作研究了水蒸气作为非平衡等离子体将氮固定成NH3的H源，该项技术可以进一步提升能源效率、选择性和氨产量。本项研究所探讨的无催化剂和无H2方法对NH3具有优异的选择性（高达96%）和十分理想的能源消耗（约95−118 MJ/mol）。该领域的未来研究，包括等离子体设置的优化和计算模型的开发，可以为生产NH3和其他N2固定产物的机理提供更多的信息。

(相关资料图)

图1本工作中使用的实验装置。(a) 等离子射流示意图；(b) 与玻璃反应容器中的液体直接接触的等离子体射流。

图2液体H2O中产生的NH3、亚硝酸根离子、硝酸根离子和H2O2浓度作为不同N2流速下H2O蒸汽饱和度的函数：(a) 0.2 L/min，(b) 0.35 L/min，(c) 0.7 L/min，(d) 1.4 L/min。

图3在三种代表性等离子体条件下，在反应容器（OAV）和无空气气密反应器（GTR）的开放大气环境中，液体H2O中产生的NH3、亚硝酸根离子、硝酸根离子和H2O2浓度

图4空气等离子体中液体H2O中产生的NH3和亚硝酸根离子+硝酸根离子的浓度，作为H2O蒸汽饱和度的函数。

图5当使用玻璃管在不降低气体速度的情况下增加等离子体射流和液体之间的距离时，液体H2O中产生的NH3、亚硝酸根离子、硝酸根离子和H2O2浓度（N2为0.2 L/min）随H2O蒸汽饱和度而变化。

图6对于液态/气态 H2O/D2O的不同组合，N2流速为0.2 L/min时,液态水中产生的 (a) NH3 和 (b) 亚硝酸根离子+硝酸根离子的浓度，作为水蒸气饱和度的函数。

该项研究首次提出了一种绿色NH3合成工艺，该工艺基于使用H2O蒸汽代替H2的非平衡等离子体的非催化固氮。该团队使用了一个非常简单的等离子体装置，在一种良性溶剂（H2O）中直接就地生成NH3。研究者发现，与和液体H2O接触的干燥N2（高达0.064 mg/h）相比，在N2进料气的H2O蒸汽饱和度较低的条件下，NH3合成的选择性十分卓越（高达96%），氨产率也有所提升。随着H2O蒸汽含量的增加，选择性降低（约60−85%），但所有N2固定产物（即NH3、亚硝酸根离子、硝酸根离子）的总产率增加。类似地，当使用空气代替N2时，总N2固定产物产率增加，但与N2进料气体相比，对NH3的选择性显著降低。因此，就总的N2固定效率而言，等离子体进料气体的较高水平的H2O蒸汽饱和是有益的，因为它们增加了总的N2转化率。值得注意的是，所提出的无催化剂和无H2等离子体系统的能耗（NH3约为100 MJ/mol，或总N2固定约为15 MJ/mol）在等离子体辅助催化NH3生产所报告的数值范围内，但该系统具有使用H2O蒸汽和不存在催化剂的额外优势。通过使用同位素标记的水来区分这两种H2O来源，该团队研究了H2O蒸气和暴露于等离子体的液体H2O在固氮中的作用。研究结果表明，添加的H2O蒸汽而非液态H2O是NH3生成的主要H源。

【论文链接】

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acssuschemeng.9b07849

本文同步发表于微信公众号“催化科研圈 Catalytic Research” & 知乎“徐佳莹”。

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