首页 > 行业资讯 > 非热等离子体辅助制氨

非热等离子体辅助制氨

时间：2023-08-14 来源：浏览：

非热等离子体辅助制氨

Energist 能源学人

能源学人

微信号 energist

功能介绍能源学人，打造最具影响力的能源科技服务平台！

收录于合集

【研究背景】

氨作为氢载体分子，是一种清洁、可持续的燃料源和高效的能量储存介质，已被广泛研究。工业上氨合成方法为哈伯-博世（Haber-Bosch，H-B）法，需要大量化石燃料投入、高温高压条件以及大量资本投资。目前，已经开发出多种固定氮制氨技术，如热催化固氮、生物固氮、金属络合固定氮、电化学固定氮、光催化固定氮和非热等离子体诱导固氮。其中非热等离子体技术是一种很有前途的清洁氨合成替代方法，以其在化学反应中的高选择性、反应条件温和且无需淬火而被广泛研究。

【文章简介】

近日，郑州轻工业大学的张军副教授及李晓添等人针对非热等离子辅助其他技术固氮制氨进行了全面的总结，在本篇文章中全面地介绍了非热等离子体辅助制氨的最新进展，其中包括非热等离子体辅助催化剂制氨、辅助光催化制氨、辅助电化学制氨、辅助化学链制氨。此外，文章概述了非热等离子体辅助制氨的影响因素，并且提出了评判非热等离子体辅助制氨的评价指标，为对比不同制氨技术提供了指导意义。最后文章针对于不同的制氨方式提出了未来的发展建议。该文章以“ Non-thermal plasma-assisted ammonia production: A review ”为题发表在 Energy Conversion and Management 国际期刊。

图1：综述的结构示意图。

【核心内容】

非热等离子体（NTP）因其条件温和、可行性广、成本低、灵活性强、能耗低等优点，在辅助合成氨生产方面受到广泛关注。尽管单独的非热等离子体能够固氮制氨，但单一的等离子体系统中，活性物质的利用效率较低，制氨效果不佳，同时单一的非热等离子体氨合成技术发展受到一定限制。因此需要将非热等离子体与催化剂或者其他技术进行耦合，例如光催化、电化学催化、化学链制氨等。

图2：不同制氨方式流程对比：(a)Haber–Bosch工艺合成氨；(b) 等离子辅助催化制氨；(c)等离子辅助光催化制氨；(d)等离子辅助电化学制氨；(e)等离子体辅助化学链氨生产。

1 非热等离子体辅助制氨

1.1 非热等离子辅助催化剂制氨

非热等离子体可以用来激活气体原料和所需的催化剂，从而在气体和催化剂之间产生协同效应。在辅助制氨的过程中，非热等离子体可以激活进料气体以形成反应物质，例如N, H, e ^- , H ⁺ , OH, NH, N ₂ *, N ₂ ⁺ 等。等离子体和催化剂的集成被认为是克服单等离子体系统瓶颈的一种有前途的技术，能够在降低能耗的情况下，将中间副产品高效、选择性地转化为所需产品。

非热等离子体辅助催化剂制氨体系中，催化剂主要分成三种类型。第一种是单一催化剂体系，如MgO、铜丝、锆钛酸铅。在使用单一催化剂的研究中，铜羊毛具有最高的能源效率。铜羊毛不仅可以作为催化剂，还可以作为NTP放电系统的电催化剂。前人的研究对不同的类羊毛金属催化剂进行了对比分析，发现Au在各种金属催化剂中具有最高的活性。第二种是催化剂载体体系，将催化剂(如钌和碳)涂覆在载体材料(如MgO、Al ₂ O ₃ 和SiO ₂ )上，以增加表面积，提高反应速率。Mizushima等研究了不同负载金属的膜状氧化铝管对氨合成的影响，发现其催化性能顺序为:Ru/MA > Ni/MA ≈ Pt/MA >Fe/MA > MA (MA是膜状氧化铝管)。第三种催化剂是促进剂和催化剂载体体系，在能效方面优于单一载体。在该体系中，为了提高合成效率和转化率，使用了碱金属(Cs、Ba、K)等促进剂。图4 d显示了三种Ru/CeO ₂ 催化剂中引入K、Ba和Cs促进剂后催化活性的提高情况。有报道称，在等离子体合成NH ₃ 过程中，启动子可以降低N ₂ 分解的能垒，促进NH _x 组分的不稳定，从而有效地提高体系的催化活性。目前，等离子体辅助工艺中使用的催化剂多为钌基催化剂，但由于Ru的电离能高达7.36 eV，因此很难被非热等离子体电离。因此，需要一种易于电离的促进剂为Ru提供电子以获得更好的催化活性，而高频和添加的金属阳离子作为促进剂可以增强催化剂体系中的电子转移，使氮解离和电离。

尽管NTP辅助催化剂制氨显示出潜在的优势，但该系统在大规模生产方面尚未进行优化，其中一个关键问题是催化剂的设计。对于催化剂的设计，需要考虑活性位点的固有活性、催化剂颗粒中活性位点的位置和可访问性，以及催化剂载体的类型和特性。介孔材料是非常适合NTP催化的有利载体。然而，使用多孔材料时，金属位点应理想地分散在其外部表面，以充分利用等离子体的作用。另外，稳定性和可扩展性也是催化剂设计过程中需要考虑的因素。目前，关于可扩展性的研究还很有限，所以除了在微观层面上设计和构建定制的NTP催化剂，还需要考虑如何将催化剂扩大规模生产的可行性。

表1：等离子体催化合成氨催化剂

1.2 非热等离子辅助光催化制氨

近几十年来，光催化合成氨的相关研究取得了很大进展，但目前光催化合成氨的速度仍不尽人意。光催化反应与其他技术的耦合可能是提高整体反应效率的有效方法，可能成为未来发展的重要方向。研究表明，紫外光和非热等离子体条件的结合和协同作用可以促进氨合成反应。非热等离子体气体放电时产生大量的电子激发态，这些激发态可能衰变到较低的能态并发射光子。部分研究人员利用这些光子，将传统的光催化与等离子体结合起来进行氨合成。通常，UV灯放置在DBD反应器的内部或外部，以保持对催化剂的均匀照射。在此条件下，光催化剂主要由紫外光激活，等离子体辅助光催化制氨过程成为提升光催化制氨的一个重要方向。Lamichhane等报道了等离子体耦合光化学合成氨的过程。在二氧化钛(阳极)上，紫外诱导水氧化产生氢离子，在正极侧常压低温下，通过质子交换膜与氮等离子体发生电化学反应合成氨。等离子体促进氮的解离，使用质子交换膜可以提高合成氨的选择性。这种等离子体耦合光化学合成氨的量是单独等离子体合成氨的6倍。

光催化剂能否在不添加其他光源的情况下，利用放电等离子体作为光催化剂的驱动力，吸收待激活等离子体中的光子，进行“光催化过程”。答案是否定的。由于紫外光的强度极弱，它只有几个μWcm ⁻² 量级，比白天室外紫外线通量(~ mWcm ⁻² )少了大约三个数量级，从等离子体驱动光催化的角度来理解协同效应是没有意义的。Sano 等人利用GaN型紫外传感器测量了表面放电等离子体发出的紫外光强度，作者表明当输入功率大于3w时开始检测到紫外光发射。Guaitella等人和Assadi等人也证实，除非使用额外的紫外灯来激活TiO ₂ ，否则TiO ₂ 在等离子体中的光催化活性可以忽略不计。尽管等离子体中紫外光强度很弱，但等离子体中高能电子也能够激发n型半导体，形成“伪光催化”行为。等离子体活化的“伪光催化”为设计适合等离子体特性的优良催化剂提供了新的思路。

1.3 非热等离子辅助电化学制氨

电催化氮还原反应(NRR)由于其操作条件温和、环境友好等优点，已成为传统Haber-Bosch工艺的一种有希望的替代方法。尽管近年来电化学合成氨技术发展迅速，但仍有一些局限性需要解决。首先，氮气是一种惰性气体，具有稳定的三键，N≡N三键的解解和激活比较困难，需要大量的能量输入。其次，N ₂ 在水中的溶解度较低，电催化剂对N ₂ 的选择性较低，这意味着析氢反应(HER)可以与NRR竞争，导致法拉第效率较低。为了克服这些挑战，可以采用两步法，即利用等离子体，特别是低能量输入的非热等离子体，如氮氧阴离子(NO _x ^- )，将N ₂ 转化为活性更强的物质，然后高效还原为NH ₃ （图3 a）。据报道，基于等离子体的N ₂ 固定的理论能量消耗极限比Haber-Bosch工艺低2.5倍以上。重要的是，空气可以直接用作氮气转化为氮氧化物(NO _x )的气源，然后被水吸收形成活性氮氧化物，进而通过电化学将NO _x 转化为NH ₃ 。Wu等人展示了一种串联等离子体电催化工艺，该工艺将NTP与传统电催化相结合，可直接从空气中高效生产NH ₃ (图3 b)。在此基础上，Cui等人提出了一种通过NTP中N ₂ 氧化与H ₂ O中NO _x ⁻ 电化学还原耦合的固定N ₂ 生成NH ₃ 的策略(图3 c)。简单地说，LaFeO ₃ 作为催化剂，空气中的N ₂ 和O ₂ 首先在NTP中氧化为NO _x ，然后在H ₂ O中转化为NO ₃ ⁻ 和NO ₂ ⁻ 。最后，以Cu ⁺ /Cu ⁰ 为催化剂，将NO _x ⁻ 电化学还原为NH ₃ 。

提高等离子体辅助电化学制氨的能量效率和固氮转化率主要有两种途径。一种方法是催化剂开发，主要研究催化剂的类型和结构。Li等人开发了一种表面硼核/壳硼镍纳米晶体(表示为Ni ₃ B@NiB _2.74 )(图3 d)作为eNO _x RR的电催化剂，提高了eNO _x RR对氨的活性、选择性和稳定性(图3 e)。Ni ₃ B@NiB2.74催化剂的NO _x ^¬ /NH ₃ 转化率可达100%，产氨率约为eNRR的2500倍。另一种方法是设计合适的反应器或反应系统。反应器的设计可以优化，如放电距离和电极材料。Zhang 等人对不同的反应器配置、催化剂、放电功率、气体流量和不同的水蒸汽饱和度进行了研究。优化后的等离子体反应器配置钌(Ru)催化剂，使氨的产量达到了世界领先的23.2 mg/h。Ren等通过优化等离子体系统放电距离(2.0 cm)和氧浓度(50.0 v/v%)等条件，报道了一种pNOR-eNO _x RR NH ₃ 合成体系。最终NH ₃ 产率可达40 nmol s ⁻¹ cm ⁻² ，法拉第效率(FE)高达90%，超过了eNRR、eNRO-eNO _x RR和Li ⁺ 介导的NRR过程。此外，Sudesh Kumari等人开发了一种四电极N ₂ 等离子体辅助质子交换膜(PEM)电解槽(图3 f)。在3.5 V的偏置电压下，该系统的氨产量提高了47%。此外，Sun等人开发了一种连续可扩展的等离子体电化学混合系统。该系统耦合了等离子体起泡器，气泡中产生的等离子体促进了液体中NO _x 的扩散。在1.4 V的低电池电压、超过50 mA cm ^-2 的电流密度和0.51 kW h mol ^-1 NH ₃ 的比能量消耗下，NOx中间体以23.2 mg h-1的速率转化为氨(图3 g)。

等离子体辅助电化学制取氨是一种具有前景的技术，但距离工业化还存在一定的挑战。大多数在环境条件下进行的实验研究报道的氨产率通常小于10 ⁻⁹ mol/(s ⁻¹ ·cm ⁻² )。为了在经济上可行，生产率必须提高几个数量级。Giddey认为50%的法拉第效率和 (4.3~8.7)×10 ⁻⁷ mol/(s ⁻¹ ·cm ⁻² )的氨生成速率可以被商业系统所接受。因此，需要进一步的研究来确定有前景的N ₂ 还原催化剂，并提高氨的产率以实现该技术的商业化应用。

图3：(a) pNOR-eNO _x —RR过程；(b)串联NTP-电催化空气模式合成NH ₃ 策略；(c)基于等离子体催化与电催化耦合体系的“氧化-还原”固氮策略；(d) Ni ₃ B@NiB _2.74 (TEM、HRTEM和SAED)表征；(e) pNOR-eNO _x RR过程和eNOxRR活性增强的双位点机制；(f)不同反应器设计的比能耗和NO _x 产率；(g)氮气等离子体射流撞击电解槽膜电极组件(MEA)阴极侧气体扩散层(GDL)示意图。

表2：非热等离子体辅助电化学制氨研究进展

1.4 非热等离子辅助化学链制氨

氮化学循环过程涉及常压下的N ₂ 固定和NH ₃ 生成，近年来受到越来越多的关注。化学循环将一个反应分解为多个空间分离的子反应，这些子反应通过连续的反应和化学中间体的再生产生化学物质或能量。化学链氨合成过程(CLAP)可分为两到三个步骤，包括通过形成大块金属氮化物或金属亚胺作为氮载体活化N，通过氮载体材料与水或氢反应生成氨，以及中间产物的再生。与Haber-Bosch工艺相比，CLAP可以在常压下进行，避免了苛刻的工艺条件，简化了制氨设备，提高了能源效率，减少了制氨的碳足迹。适宜的热力学和动力学特性以及良好的稳定性使CLAP工艺更适合于高收率和高选择性NH ₃ 的生产。

开发创新的CLAP工艺是克服传统CLAP挑战从而推动该领域发展的另一个重要途径。利用等离子体技术，可以开发一种基于等离子体的循环合成氨的新工艺。在基于等离子体的CLAP中，等离子体可用于氮活化和NH3生成步骤(图4 a)。等离子体放电可以破坏稳定的N≡N键(9.8 eV)并产生活性氮原子，这些氮原子能够与金属原子结合形成具有增强动力学的金属氮化相(MxNy)。此外，等离子体中的高能氮可以导致比反应区高得多的表面温度，从而提高氮的扩散速率，从而促进金属的快速氮化。同样，在NH ₃ 生产步骤中，等离子体可以直接分解H2形成活性H(g)原子，与MxNy反应产生氨。与传统的CLAP相比，基于等离子体的CLAP可以在更低的温度(25-450°C)下运行，从而快速高效地生产NH ₃ 。Zen等提出了以Mg ₃ N ₂ 为固体氨载体的间接合成方法。该工艺包括在大气压下将MgO暴露于DBD等离子体中的N ₂ 中，导致氮化并形成Mg ₃ N ₂ 。随后，Mg ₃ N=在室温下与H ₂ O反应生成NH ₃ 。反应结束后，MgO可以通过加热Mg(OH) ₂ 再生，如图4 b所示。这种间接方法避免了NH ₃ 在等离子体中的分解，并且消除了对氢气作为原料的需要。然而，Mg ₃ N ₂ 的最大效率限制在93 mg/kWh，并且MgO的再生需要额外的能量，导致氨的生产效率较低。因此，有必要进一步研究以显著提高能源效率。Sarafraz等人开发了一种采用液态金属镓的化学循环系统(图4 b)，由三个反应器组成。在反应器R1中，由镓(Ga)和氮(N ₂ )生成氮化镓(GaN)。反应器R2便于将氮化镓和蒸汽(H ₂ O)转化为氨、氢和氧化镓(Ga ₂ O ₃ )。反应器R3负责Ga ₂ O ₃ 的分解和镓的再生，从而确保该过程的可持续性。这种方法消除了温室气体排放，并根据最终用户的要求生产氢、氨或两者的组合。研究人员进一步提出了一种新的CO ₂ 中性热力学过程，其中氮载体在反应器之间循环，通过固氮反应产生氨和/或氢，并比较了不同金属元素反应的自发性、金属熔化温度、金属可用性、热回收装置的能量性能以及氮气和蒸汽的经济性。结果表明，铬(Cr)、镁(Mg)、铝(Al)、钙(Ca)和锰(Mn)是最佳的载氮金属。Lander Hollevoet等将等离子体与发动机尾气后处理技术相结合，引入了PNOCRA工艺(等离子体氮氧化和催化还原为氨)(图4 c)。这种新型的、节能的等离子体驱动的NH ₃ 合成途径可以在空气、水和可再生能源上运行，与之前报道的直接从N ₂ 和H ₂ 中产生的基于等离子体的NH ₃ 相比，它具有显着优越的能源性能。该研究对其他基于等离子体的化学链氨生产方法具有参考价值。

等离子体辅助化学链制氨是一个新兴而具有潜力的研究领域。目前仍然存在一些挑战，如氮载体中晶格氮活性低、NH ₃ 选择性差、产率低以及长期氮载体稳定性低等问题。因此，进一步的研究是必要的，尤其需要开发高效的氮载体系统。在氮载体中，晶格氮的活性起着关键作用。晶格氮是一种吸附和活化氮气的关键位点，它能够促进氨的生成。然而，目前晶格氮的活性还存在限制，需要更深入的研究来提高其活性和稳定性。另一个需要解决的问题是NH ₃ 选择性和产率。在等离子体辅助化学链制氨过程中，需要高选择性地将氮气转化为氨，以提高制氨效率。同时，也需要优化反应条件和催化剂设计，以提高产率并减少副产物的生成。此外，长期的氮载体稳定性也是一个挑战。等离子体的高能量和反应环境可能导致氮载体的降解和失活。因此，研究人员需要寻找新型的氮载体材料，并改进其稳定性，以确保长期稳定的制氨性能。

图4：(a)等离子体化学循环氨合成;(b)利用液态金属镓的新型等离子体辅助工艺;(c) PNOCRA过程。

2 非热等离子体辅助制氨的关键指标

非热等离子体辅助氨合成已经成为一种有前途的技术，可以作为H-B工艺的潜在替代品，近年来得到了极大的关注。目前，等离子体辅助合成氨法的能耗高于H-B法。然而，等离子体技术与绿色氢和可再生能源的兼容性更强。此外，没有特定的指标可用于评估非热等离子体辅助氨合成。为了促进非热等离子体辅助制氨的产业化，必须建立一套全面的指标来评价等离子体系统中氨的合成。目前，非热等离子体辅助氨生产主要处于实验室阶段，尚未扩大规模用于工业生产。因此，本章旨在对产氨速率、氨纯度、氨气选择性、系统能源效率、系统稳定性等相关指标进行评价。

2.1 产氨速率

产氨速率是一个重要的指标，需要标准化的评价标准。由于实验装置、化学试剂(包括气体)、甚至研究者的操作方式的影响，不同制氨方法的产氨速率的测量方法各不相同。因此，在测定氨的电化学合成时，必须严格控制实验。在NTP辅助催化剂合成氨中，系统的密封性相对较好，气相氨可以很容易地收集和测量。然而，在NTP辅助的电化学合成氨中，氨在液相中以铵离子(NH ₄ ⁺ )的形式存在，不同的实验可能有不同的测定氨产率的方法。液相中氨能否完全转化为氨气，直接关系到最终氨的产率。有研究报道， ¹⁵ N标记的N ₂ 可用于常压下的电化学合成氨控制实验。在NTP辅助的化学环氨合成中，中间吸收剂捕获的氮氧化物(NO _x )转化为氨的程度也会影响氨产率的测量。这意味着氨的产率在一个周期内会有波动，所以对于多周期工艺，应注明最高产率和平均产率。虽然有很多关于非热等离子体合成氨的报道，但合成氨的产率仍然很低。因此，提高氨收率是实现NTP辅助合成氨工业化的关键一步。

2.2 氨纯度

氨纯度是制氨产物质量优劣的评判标准，它决定了反应产物能否直接应用，产物中氨的浓度越高会降低后续收集分类的操作难度。在以氢气和氮气为原料的制氨过程中，产物形式较为单一主要为NH ₃ 以及部分未完全转化的原料气体和中间产物(NH、NH ₂ )。这部分杂质气体能够通过调整原料体积比、反应时间等操作参数降至最低，或者通过初步的气体分离后重新进入反应系统。在以水和氮气为原料的过程中，由于引入了氧原子，反应产物种类较多，包括液相的NO ₂ ⁻ 、NO ₃ ⁻ 和NH ₄ ⁺ ，气相的H ₂ O ₂ 、NO _x 、O ₃ 和H ₂ 。对于这部分杂质，气相中通过后续的分离提纯能够得到氨气，对于液相中需要提高电化学反应的法拉第效率以及催化剂的选择性，将液相中的中间产物转化为氨气。对于以甲烷和氮气为原料的反应中，目前报道的氨产量较少，产物较为复杂，包括NH ₃ 、H ₂ 和碳氢化合物，对后续的分离提纯提出了挑战。

2.3 氨气选择性

在等离子体辅助制氨过程中，选择性是指制氨反应中所期望的产物（氨气）相对于副产物的比例或纯度。选择性在等离子体辅助制氨中具有重要的意义，主要体现在以下几个方面：产品纯度提高、减少能源消耗以及环境友好性。等离子体辅助制氨的主要目标是高效生成氨气。选择性的提高意味着更多的氮气和氢气分子转化为氨气，减少其他不需要的副产物生成。选择性的提高可以减少能量损耗在不需要的反应上，提高能源利用率，使得制得的氨气符合特定的纯度要求，适用于各种应用领域。选择性的提高还有助于降低制氨过程对环境的负面影响。副产物的生成可能导致环境污染和废弃物处理问题。通过优化选择性，减少副产物的生成，可以降低环境污染风险，实现更环保的氨气合成过程。

一方面，通过调节等离子体的参数和反应条件，例如控制反应温度、压力和气体流速等参数，以确保适合所需选择性的条件。不同的反应条件可以影响氮气和氢气的反应途径和竞争反应，因此通过优化反应条件可以达到更高的选择性。另一方面选择合适的催化剂可以显著影响制氨反应的选择性。催化剂应具有高的活性和选择性，能够促进氮气与氢气的有选择性的反应，减少副产物的生成。在非热等离子体辅助制氨中，考虑使用特定的催化剂或表面改性的催化剂，以提高选择性。同时，催化剂的载体和支撑物也可以影响选择性。合适的载体和支撑物可以提供良好的催化剂分散性和活性位点，有助于调控反应物分子的吸附和反应路径。

2.4 系统能量效率

能源效率是评价氨生产过程能耗的一个重要参数。在等离子体辅助氨合成中，增加输入电压会导致更高的能量消耗和更高的电源输入能量。因此，需要在能量输入和氨合成效率之间取得平衡，以最大限度地提高能源效率。在NTP辅助催化合成氨中，较高的等离子体能量可以使催化剂电离，从而提高合成氨效率。不同催化剂对能量输入的要求不同，因此有必要确定不同催化剂产氨的最佳能量输入，并探索活性较高的催化剂组合。对于NTP辅助的电化学合成氨，等离子体能量主要用于激活原料气以提高其在水中的溶解度，因此输入的能量主要用于电化学部分。在电化学过程中，NH ₃ 的产率随着外加电位的增大而增大，并趋于稳定，且在较高的外加电位值下，HER完全占主导地位。一般情况下，反应速率增加到一定水平后，就与电流无关。施加电流的影响与电位的影响相似，因此确定最佳能量输入也是NTP辅助电化学合成氨的必要条件。

2.5 系统稳定性

稳定性是一个系统能否实现工业化的一个重要指标，它指的是等离子体的性质和特性在制氨过程中能够保持相对恒定和可控的能力。在等离子体辅助制氨过程中，稳定性的意义主要体现在以下几个方面：首先，反应效率：稳定的等离子体能够提供持续的高能量状态，促使氮气和氢气发生反应，从而增加制氨反应的速率和效率。稳定的等离子体可以保持合适的反应条件，使得氨气的产量能够达到最大化。其次，产物选择性：在等离子体辅助制氨中，除了生成氨气外，还可能产生一些副产物。稳定的等离子体可以控制反应的路径和产物的选择性，减少副产物的生成，从而提高制氨过程的选择性和纯度。再次，反应的可控性：稳定的等离子体使得制氨反应具有可控性。通过调节等离子体的参数，如温度、压力、电场强度等，可以精确控制反应速率、氨气产量和产物的选择性，实现对制氨过程的精确控制。最后，系统的稳定性：工业化中系统的稳定性是至关重要的，一个制氨系统应在生命周期内保持稳定，带来的经济效益应能够满足所有投入的资金。稳定的等离子体制氨系统可以保持长时间的运行和稳定的工作状态，减少设备故障和停机时间，提高生产效率和连续生产的能力。

2.6 其他评价指标

等离子体辅助氨合成是一种非常有前途的替代Haber-Bosch工艺。上述工艺的产业化需要更多的评价指标，包括成本、碳排放、系统可扩展性、潜在效益等。其中，成本对于工业应用尤为关键，包括原材料、催化剂、产品分离纯化、能源投入、系统生命周期等。虽然NTP辅助合成氨的成本目前高于传统的H-B方法，但NTP技术具有高效率和可持续性，特别是与可再生能源的耦合。此外，NTP技术可以与其他新能源(如太阳能和风能)结合使用，使其在应用方法和地点方面更加灵活。此外，等离子体工艺的氨生产和碳排放的理论成本远低于传统工艺。等离子体工艺也可以由可再生能源或电网规模的电力供电，由于可再生能源电力的增加和碳减排的要求，等离子体的竞争优势将更加明显。此外，高效等离子体技术可能比传统的固氮技术具有更长的生命周期，特别是当使用可再生能源时。目前，许多NTP辅助合成氨系统具有优异的性能，但其成本效益和生产的可持续性距离工业化还有一段距离。为了在经济上具有竞争力，需要进一步提高非热等离子体的效率。其中非热等离子体辅助电化学合成氨技术相较于其他方式氨产率及成本都更具优势，尽管在能源效率方面有待提高，但非热等离子体辅助电化学合成氨技术是与可再生能源最契合的方式。当可再生能源在能源体系中的占比不断增高，伴随着等离子体技术的效率的进一步提高，这种制氨方式是最有希望进行工业化的。

【结论】

在本篇文章中，作者系统性地介绍了非热等离子体辅助制氨研究的发展现状，并提出了评价氨合成系统性能的几个指标，为评判非热等离子体制氨技术的优劣提供了判断标准。NTP技术最显著的优势是在氨合成过程中不再使用化石燃料，NTP可以由风能、太阳能或水力发电等可再生能源提供动力。目前，非热等离子体辅助制氨已与多种氨合成方法相结合。尽管与工业化的Haber-Bosch工艺相比仍存在氨收率低、能源效率低等缺点，但NTP极低的理论能量极限为未来的工业应用提供了可能性。

表3：四种非热等离子体辅助制氨的特点及发展方向