一种基于等离子体/无机溶剂界面反应的氨合成方法与流程

本发明涉及氨合成，尤其涉及一种基于等离子体/无机溶剂界面反应的氨合成方法。

背景技术：

1、氨(nh3)是化肥、药品和精细化学品的关键原材料，在农业和工业生产中的作用不可或缺。2021年，全球的nh3产量达到1.5亿吨，其中大部分用于生产化肥，作为农作物的氮源。目前，nh3的工业生产主要依赖哈伯-博世(h-b)工艺，该工艺通过将高纯氮气(n2)和氢气(h2)在高压(100-300大气压)和高温(300-500℃)下混合，然后在催化剂的作用下反应生成nh3。由h-b工艺合成的nh3大大促进了食品生产，并养活了世界上近一半的人口。然而，h-b工艺所需的h2来源于天然气或煤炭的蒸汽重整工艺，其碳排放量占全球的1％以上，能耗约占全球的2％。随着环境和能源压力的增加，开发可持续和无化石燃料的nh3生产技术受到越来越多的关注。

2、由于n2分子具有高活化能垒和在溶液中的低溶解度，利用可再生能源对n2的人工固定非常具有挑战性。现如今，研究人员已经开发了各种基于催化剂的技术来实现n2还原，包括生物催化、光催化、电催化和等离子体辅助催化等。在这些技术中，等离子体辅助催化因其高效率和极低的理论功耗极限而被认为是未来n2固定中较有前途的方法。该方法无需高温高压等苛刻的反应条件，通过等离子体与催化剂协同作用产生的活性物质，来促进nh3的生成。该反应通常在n2和h2的混合物中进行，通过将介质阻挡放电(dbd)等离子体与各种催化系统集成，可以实现0.2％～7.8％的氮转化率。然而，原材料的制备以及纯n2和h2的运输同样增加了能源消耗和二氧化碳排放。

3、目前，基于等离子体的nh3合成方式仍然存在投资成本高、系统集成复杂等问题，而且在通常情况下，这些系统中的等离子体只起到一定的辅助作用，nh3合成主要以复杂的催化剂体系或者与电化学池、uv结合来实现，这些复杂的装置体系不利于可再生能源的有效利用和投资成本的降低。现如今，由于可再生能源波动性大、分散性高，其高效储存和利用是一大难题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种基于等离子体/无机溶剂界面反应的氨合成方法，该方法能够绿色、高效地实现nh3的合成，且装置简单易操作。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于等离子体/水界面反应的氨合成方法，该氨合成方法采用具有毛细管尖端的界面微反应器，以无机溶剂和含有n2的气体为原料；向具有毛细管尖端的界面微反应器施加负电压，毛细管尖端因放电而产生等离子体，产生的等离子体促进含氮活性物种在等离子体-无机溶剂界面处反应，完成氨合成。

3、进一步，所述的氨合成方法具体包括以下步骤：

4、s1)将无机溶剂加入具有毛细管尖端的界面微反应器中，再将所述界面微反应器置于含有n2的气体中；

5、s2)在大气压和室温条件，向界面微反应器施加负电压，在负高压作用下毛细管尖端产生电晕放电，电晕放电产生的等离子体，促进了等离子体/无机溶剂界面的氨的合成。

6、进一步，所述s1)中的界面微反应器为纳升电喷雾装置。

7、进一步，所述s1)中的含有n2的气体为空气或纯度为99.99％的氮气。

8、进一步，所述s1)中的无机溶剂为水。

9、进一步，所述s2)中的负高压：电压为不高于-3.25kv。

10、进一步，在负高压期间，n2在等离子体与水的界面处被固定；同时，生成的氨在毛细管尖端的水溶液中被富集。

11、一种氨，所述氨采用上述的氨合成方法得到。

12、本发明以纳升电喷雾装置作为界面微反应器，在等离子体/h2o的界面上实现nh3的合成。其中，纳升电喷雾装置的尖端的电晕放电产生等离子体，等离子体中含有激发的氮气的(n2(a3∑u+),n2*)、氮分子离子(n2+)和氮原子(n*)等三种活性物种，使等离子体/h2o界面上的n*能够从h2o中直接攫取氢原子，实现nh3分子的形成，气液界面上生成的nh3可以在水相中溶解并被富集。

13、本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案，本发明的方法通过在等离子体-h2o界面进行氨合成，以h2o作为氢源，避免了传统nh3合成方法中h2的使用，可以减少因制备、储存和运输h2引起的二氧化碳排放和能源消耗，更为绿色、可持续；本方法不需要使用催化剂和电化学、光化学装置等辅助条件，简化了nh3合成装置，降低投资成本；本方法以纳升电喷雾装置为界面微反应器，可以原位产生和富集生成的nh3，便于验证反应产物和排除体系中原有的nh4+杂质等干扰；本方法在原有的纳升电喷雾装置上就可以实现，无需在装置上进行改进，操作简单易实现。

技术特征：

1.一种基于等离子体/无机溶剂界面反应的氨合成方法，其特征在于，所述氨合成方法采用具有毛细管尖端的界面微反应器，以无机溶剂和含有n2的气体为原料，通过向具有毛细管尖端的界面微反应器施加负高压，使界面微反应器的毛细管尖端因放电而产生等离子体，产生的等离子体能够促进含氮活性物种在等离子体-无机溶剂界面处反应，最终完成氨的合成。

2.根据权利要求1所述的氨合成方法，其特征在于，所述的氨合成方法具体包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的氨合成方法，其特征在于，所述s1)中的界面微反应器为纳升电喷雾装置。

4.根据权利要求2所述的氨合成方法，其特征在于，所述s1)中的含有n2的气体为空气或纯度为99.99％的氮气。

5.根据权利要求2所述的氨合成方法，其特征在于，所述s1)中的无机溶剂为水。

6.根据权利要求5所述的氨合成方法，其特征在于，所述s2)中负高压为不高于-3.25kv。

7.根据权利要求6所述的氨合成方法，其特征在于，在负高压期间，n2在等离子体与水的界面处被固定，同时在毛细管尖端的水溶液中被富集。

8.一种氨，其特征在于，所述氨采用如权利要求1-7任意一项所述的氨合成方法得到。

技术总结本发明公开了一种基于等离子体/无机溶剂界面反应的氨合成方法。该方法的具体步骤为：以纳升电喷雾装置作为界面微反应器，在负高压施加期间，毛细管尖端产生电晕放电，电晕放电产生的等离子体能够激活N<subgt;2</subgt;，含氮活性物种在等离子体‑无机溶剂界面处与无机溶剂反应生成NH<subgt;3</subgt;。该方法以麦芽糖作为与NH<subgt;3</subgt;结合的标记物，在NH<subgt;3</subgt;合成过程中可以实现产物的原位质谱分析；该方法可以在大气压和室温条件下直接由N<subgt;2</subgt;合成NH<subgt;3</subgt;,而且不需要任何催化剂或UV辅助；该方法证明了等离子体‑无机溶剂界面反应对于反应的重要性，有利于后续通过等离子体‑微液滴集成系统进行放大制备。本发明提供的方案适用于等离子体辅助的NH<subgt;3</subgt;合成反应。技术研发人员：龚晓云,戴新华,冯璐璐,潘远江,方向受保护的技术使用者：中国计量科学研究院技术研发日：技术公布日：2024/6/5