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为解决哈伯 - 博施法（Haber-Bosch method）合成氨存在的高能耗、高碳排放等问题，研究人员开展滑弧等离子体耦合电催化合成氨级联系统研究，建立经验方程并优化参数实现动态平衡，进行技术经济评估，为绿色合成氨提供支持。
合成氨工业的发展与全球粮食安全、能源转型紧密相连。传统的哈伯 - 博施法作为工业合成氨的主要技术，虽解决了全球超 40% 人口的粮食问题，却面临着反应条件严苛（400–600 °C、20–40 MPa）、碳排放量高、依赖复杂大型设备等难题，与当下节能减排、推动全球资源均衡配置的理念渐生矛盾。因此，探索低能耗、低排放的大规模工业化绿色合成氨新技术迫在眉睫。近年来，以空气和水为原料、由绿电驱动、在常温常压下进行的等离子体耦合电催化合成氨级联工艺，因其设备简单、原料廉价易得，成为工业绿色合成氨实现小型化、分散化、本地化的潜在方法。
为深入探究该级联系统的运行机制，保障系统稳定运行并降低合成氨成本，中国相关研究机构的研究人员开展了滑弧等离子体耦合电催化合成氨级联系统的研究。研究得出，通过优化电催化运行参数可实现中间产物的生成速率与消耗速率的动态平衡，且技术经济评估模型为系统优化提供了经济层面的指导，相关成果发表在《Chinese Journal of Chemical Engineering》。
研究主要采用了以下关键技术方法：搭建了滑弧等离子体耦合电催化实验平台，包含载气系统、高频高压放电系统等模块；运用单因素实验，系统考察了等离子体发生器输入电压、空气流量、电解池电压和阴极电解液流速等核心运行参数对氨生成速率的影响；利用响应面分析（RSA）方法构建了预测不同电催化运行参数组合下中间产物消耗速率的经验方程；建立技术经济评估模型，计算级联系统的合成氨平准化成本，并进行单变量敏感性分析。
等离子体发生器输入电压的影响
在空气流量为 4 L?min-1、电催化电池电压为 2.00 V、阴极电解液流速为 60 ml?min-1的条件下，研究了等离子体发生器输入电压对中间产物生成速率、初始浓度和 NH3生成速率的影响。实验结果表明，中间产物的生成速率和初始浓度与等离子体发生器输入电压呈近线性关系，这归因于 N2被激发产生更多活性物种。
经验方程的构建与参数优化
基于响应面分析方法，构建了电催化运行条件与中间产物消耗速率之间的经验方程。通过该方程对电催化运行参数进行优化，实现了中间产物生成速率与消耗速率的动态平衡，为级联系统的稳定运行奠定了基础。
技术经济评估
建立了滑弧等离子体耦合电催化级联系统的技术经济评估模型，计算了合成氨的平准化成本，并进行了单变量敏感性分析，明确了各因素对成本的影响程度，为系统的成本降低提供了清晰的指导。
研究通过对滑弧等离子体耦合电催化合成氨级联系统的稳定性研究及技术经济评估，深入揭示了多种运行条件对级联系统关键过程的影响机制。构建的经验方程实现了对中间产物消耗速率的精确调控，保障了系统的稳定运行；技术经济评估模型为系统从经济角度的深度优化提供了依据。该研究为绿色合成氨技术的发展提供了技术支持与解决方案，有助于推动合成氨工业向低能耗、低排放方向转型，对实现可持续发展具有重要意义。
