微波辅助Mn-Fe-BaH2 氮载体化学链合成氨的动力学研究及反应机理解析

本研究针对传统Haber-Bosch工艺高能耗问题，开发了微波加热辅助化学链氨合成(MHCLAS)技术，通过Mn-Fe-BaH2 氮载体(NCs)的动力学分析，发现其硝化(25.6 kJ/mol)和氢化(23.7 kJ/mol)反应活化能显著低于常规加热，在1 atm下实现36000 μmol/g·h的氨产率，为绿色合成氨技术规模化提供理论支撑。

　　

氨作为氢能载体在可再生能源存储中具有重要地位，但传统Haber-Bosch工艺需高温高压(100-300 bar, 400-600°C)，能耗巨大。虽然化学链氨合成(CLAS)技术能降低压力需求，但现有研究对微波加热辅助CLAS(MHCLAS)的动力学机制认识不足。针对这一空白，国外研究团队在《Fuel》发表论文，系统研究了Mn-Fe-BaH₂
氮载体(NCs)在微波流体化床中的反应动力学。

研究采用微波加热流体化床反应器(MHFB)，结合热电偶和红外测温技术分别监测气相-固相混合温度(T_b
)和固相温度(T_s
)。通过质量变化分析硝化反应动力学，离子选择电极(ISE)定量氢化阶段的氨产量。重点考察300-630°C硝化与150-320°C氢化反应，通过最小化传质阻力获取本征动力学参数。

温度分布与稳定性
轴向温度差异<2%的均匀分布确保动力学数据可靠性。在硝化温度565°C和氢化320°C条件下，Mn-Fe-BaH₂
NCs展现优异循环稳定性，氨产率波动<5%。

动力学特性
微波选择性加热使固相温度高于气相，显著降低表观活化能：硝化反应为25.6 kJ/mol，符合收缩动力学模型；氢化反应为23.7 kJ/mol，最佳拟合Avrami-Erofeev-3模型。与传统加热相比，微波使氨产率提升3倍(36000 vs 11000 μmol/g·h)。

反应机制
Mn-Fe-BaH₂
中适度金属-氮键结合强度(Fe-N键能<450 kJ/mol)促进氮原子迁移，BaH₂
提供氢化活性位点。微波非热效应降低能垒，同时抑制气相氨分解反应。

该研究首次建立MHCLAS技术的本征动力学模型，证明微波加热可突破传统热力学限制。所开发的模型不受反应器类型限制，为万吨级合成氨装置设计奠定基础，对实现碳中和目标下的绿氨经济具有战略意义。