低温等离子体增强催化氨合成机理的 一维流体动力学模型

陈 赦 刘红梅 吴 婷 汪 沨 庄池杰

（1. 湖南大学电气与信息工程学院 长沙 410082 2. 电力系统及大型发电设备安全控制和仿真国家重点实验室（清华大学电机系） 北京 100084）

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氨是目前对世界经济有着重大影响意义的第二大工业生产化合物。由于氨具有较高的氢密度，且易于液化，它有潜力成为一种安全储存和运输氢能的介质。工业上采用哈伯工艺法生产氨气[1]。这个过程需要400～600℃的高温来激活催化剂，使氮氮三键断裂，并且采用20～50MPa的高气压使得平衡向有利于氨生成的正反应方向进行[2]。此外，它每年还会消耗掉全球2%的能源，并且排放超过3亿t的CO2[3]。因此，研究者们一直在试图寻找创新性替代方法，包括生化方法[4]、催化热解[5-6]和等离子体催化[7-8]。其中，等离子体催化合成氨在能源、化工等领域显示出广阔的应用前景[9-11]。

低温等离子体中含有分子、原子、带电粒子、处于激发态和亚稳态的活性粒子等。这些粒子有利于克服关键反应的能量障碍，在等离子体增强催化氨合成方面发挥着重要作用。等离子体与催化剂之间的相互作用受很多参数的影响。文献[12-14]在探寻具有等离子体协同作用的高效催化剂以及优化参数和反应器设计方面做了大量的实验。文献[7, 15-18]分别采用类似羊毛状的铜电极，α-Al2O3、钌、膜状氧化铝管等作为催化剂，使得氨产量提高。实验结果显示，电子密度、电子温度和电场强度等属于放电过程中的关键参数[19]。然而，很难通过实验直接测量这些参数[20-22]。

为了深入揭示等离子体催化的机理，有必要通过数值模拟来进一步研究等离子体协同催化剂合成氨的机理。……