小型化清洁氨生产技术的比较分析：电化学哈伯-博施法、等离子体电催化与直接氮还原路径的经济性与应用前景

这篇综述对三种新兴绿色氨合成技术——电化学哈伯-博施法(e-HB)、等离子体电催化(PEC)和直接电化学氮还原反应(NRR)——进行了系统比较。研究通过整合能源效率、资本支出(CAPEX)和运行成本(OPEX)等参数，证明在可再生能源电价低于20美元/兆瓦时条件下，e-HB和PEC在20-50吨/日规模可媲美传统工艺，为分散式氨生产提供了碳中和解决方案。

　　

亮点

本研究通过多维度比较揭示了三种清洁氨生产技术的竞争潜力：电化学哈伯-博施(e-HB)凭借与现有基础设施的兼容性领跑，等离子体电催化(PEC)以启动灵活性见长，而直接氮还原反应(NRR)虽具单步反应优势却受限于法拉第效率(FE<40%)。

系统描述

图1展示的三套系统中，e-HB整合了电解水制氢(1)与空气分离(2)，通过压缩机(3-4)将气体送入改良哈伯反应器(5)；PEC系统采用介质阻挡放电(DBD)活化氮气，结合电化学吸收器(9)完成合成；NRR则直接在电解槽(10)中实现N₂→NH₃转化，但需应对析氢反应(HER)的竞争。

结果与讨论

关键发现：

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  e-HB在300巴压力下实现最佳能效(12.5 kW·h/kg)，LCOA可降至800美元/吨

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  PEC的模块化特性使其CAPEX比e-HB低18%，但能耗高达25 kW·h/kg

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  NRR当前FE仅5-10%，需突破50mA/cm^?2电流密度阈值才具经济性

结论

研究表明，当可再生能源电价<20美元/MWh时，20-50吨/日规模的e-HB和PEC可匹敌传统工艺。尽管NRR代表未来分散式生产的终极形态，其产业化仍需催化剂和反应器设计的重大突破。