低温等离子体氨分解制氢：反应器设计与放电/离子源进展综述

摘要

低温等离子体在常温常压即可产生高能电子与活性自由基，使 N–H 键断裂，规避传统热催化 550 ℃ 以上高温的能耗与催化剂烧结问题。近年突破集中在「等离子体 + 催化 + 膜分离」协同与反应器/放电源优化。本文对比国内外近年代表性反应器构型与能量效率，并列出可检索参考文献。

一、技术脉络

• • 单独等离子体能量效率与转化率偏低，反向反应（N? + 3H? → 2NH?）抑制产率。
• 主流放电源：介质阻挡放电（DBD，含填充床/铁电填充床）、纳秒脉冲 DBD、微波等离子体炬、滑弧/拉瓦尔喷管。
• 主流反应器强化路径：沸石/铁电填充 → 同轴 DBD 几何优化 → 等离子体–钯膜/分子筛膜耦合 → 微波无电极源。

二、反应器构型 – 能量效率对比表

?? 注意：各研究在进料浓度、温度、压力、是否耦合催化/膜上差异很大；能量效率指标不统一（mmol/kWh、g H?/kWh、L H?/kWh、时空产率 STY）。下表数值仅供同构型内横向参考，跨研究定量比较需谨慎换算。

编号	反应器构型	放电/离子源	典型工况	NH? 转化率	能量效率 / 产氢指标	文献
R1	填充床 DBD（ZSM-23 沸石填充）	DBD（中频）	常温常压，16 W，低浓度 NH?（0.4–1.0%）	77.3%（无填充 59.2%）	1359.3 mmol/kWh（≈2.74 g H?/kWh）	[4]
R2	同轴填充床 DBD（MgAl?O? 填充）	同轴 DBD	常压，21 W，纯 NH? 75 Nml/min	15.1%（ε 4–30 The Best）	以转化率为指标	[6]
R3	铁电填充床（BaTiO? 颗粒）	铁电阻挡放电	常温常压，≤2.5 kV，纯 NH?	14%	150 L H?/kWh	[7]
R4	铁电填充床（PZT + Ru/Al?O? 高介电介质）	铁电阻挡放电	常温常压，2.5 kV	40%	Ru 层主要作高介电有效介质增强电流	[8]
R5	同轴 DBD（OD/ID/DD 构型优化）	同轴 DBD	低压，优化约化电场 E/N	未单列	OD 1.22–1.24 g H?/kWh；ID ~1.35 g H?/kWh	[17]
R6	微波等离子体炬（QWCCR 四分之一波长同轴腔）	微波谐振腔等离子体炬（无电极）	常压，纯 NH? 1.00 SLPM	29.3%（ACR）	11.27 g/(kW·h)	[11]
R7	DBD + 廉价金属 Fe/MgAlSi-α	DBD（非贵金属催化）	常温，SIE 19.5 kJ/L	>80%	按比能量输入计	[12]
R8	DBD + Ni/CeO?（纳秒脉冲）	纳秒脉冲 DBD（5 kV,100 ns,20 kHz）	升温（热+等离子体协同）	79.2%	5.3 mmol g?? min?? H?	[14]
R9	等离子体增强双膜系统 PEDMADS	DBD + Ru/SiO? + Pd 膜 + S-1 膜	400 ℃	65%（等离子体单独 52.1%）	STY 1567 mmol g?? h??；LCOH 0.92 $/kg H?	[3]
R10	DBD + Ru/Al?O?	DBD（贵金属催化）	常温，100 mL/min，18 kV	85.7%	未给	El-Shafie（[15]）
R11	等离子体–Pd-Cu 膜反应器	DBD + Pd-Cu 合金膜	常温无催化	H? 渗透率 80%	高纯度、无高温无催化	Hayakawa（[15]）
R12	脉冲 DBD（Ar Penning 效应）	脉冲 DBD	298 K，10 kV/30 kHz/100 ns，5% NH?/He	40.9%	未给	[5]

读表要点

• 纯 NH? 进料下，微波等离子体炬（R6, 11.27 g/kWh）与铁电填充床（R3, 150 L/kWh≈13.5 g/kWh）单位能量产氢较高，但转化率偏低；高转化率研究多依赖催化或膜耦合（R7–R9、R10）。
• 填充床 DBD 能效对填充材料介电常数高度敏感：适中（ε≈8–21）优于极高（BaTiO? ε≈1000）或极低（HZSM-5 ε≈3）。
• 系统级能效The Best代表是 PEDMADS（R9）：Pd 膜原位移氢 + S-1 膜回收 NH? 打破平衡，LCOH 达 0.92 $/kg，满足美国 DOE 绿氢成本目标。

三、反应器设计进展

1. 填充床 DBD 及介电/铁电填充优化：MgAl?O? 等介电填充（ε 4–30）促进微放电；ZSM-23 沸石填充将能效提升约 6.5 倍（R1）。铁电 BaTiO?/PZT 填充通过极化增强局部电场，且需工作在居里温度以下（R3、R4）。
2. 同轴 DBD 几何构型（OD/ID/DD）：OD 与 ID 因丰富微放电脉冲、低峰值电压下有效沉积能量，性能显著优于 DD；ID 在 1 mm 介电层厚时峰值 ~1.35 g H?/kWh（R5）。
3. 等离子体–膜耦合反应器（国内标志性）：大连化物所 + 大工 PEDMADS（JACS 2025），400 ℃ 下 H? 时空产率 1567 mmol g?? h??，S-1 膜 5 级级联回收 NH? >87%，碳足迹较热过程降 95.9%（R9）。
4. 微波等离子体炬（MPT-QWCCR）：无电极、低损耗、快响应，纯 NH? 下 29.3% 裂解、11.27 g/(kW·h)，适合车/船移动电源（R6）。
5. 滑弧 / 拉瓦尔喷管（gliding arc / LNAD）：可承受更高功率，常压非平衡复合路线，氨分解报道较少但潜力大。

四、放电/离子源（"离子发生器"）进展

• 纳秒脉冲 DBD 电源：高频纳秒脉冲（100 ns、20 kHz、5 kV）获均匀高重复频率放电；Technion 量化 SEI 为主驱动、点火延迟缩短 40–60%；国内 Zhang 等（R8）据此驱动 Ni/CeO? 达 79.2% 转化。
• 铁电/高介电有效介质增强：BaTiO?、PZT 颗粒在填充床中极化增强微放电电流，Ru/高介电介质包覆被证主要通过提升等离子体电流提高产率（R4）。
• 微波谐振腔等离子体源：QWCCR 代表无电极、低损耗、快响应放电源，规避电极腐蚀（R6）。

·          填充材料介电常数对微放电的调控：适中介电常数填充优于极高/极低，机制是维持 E/N 在 NH? 解离The Best动力学窗口（R2、R5）。

五、国内外进展对比

维度	国内（中国）	国外
系统级集成	大连化物所+大工 PEDMADS 双膜系统（JACS 2025，400 ℃、闭环回收）	塞维利亚铁电填充床；Technion 参数化等离子体搅拌反应器
放电源/离子源	纳秒脉冲 DBD + 廉价金属（Ni/CeO?、Fe/MgAlSi-α，>80%）；教学实验平台	微波等离子体炬（QWCCR）；铁电 BaTiO?/PZT 填充床；滑弧/LNAD
催化协同	Ru/ALD-SiO?、Fe/Co/Ni、Ni/CeO?；强调"等离子体预活化 + 催化剂吸附"	Akiyama（常温H?）、Hayakawa（Pd-Cu 膜）、El-Shafie（Ru/Al?O?）、Andersen/Bogaerts（MgAl?O?）
趋势	工程化集成、膜耦合、廉价过渡金属；综述活跃（现代化工 2025）	放电机理、Penning 效应、E/N 窗口、数值模拟（CHEMKIN+ZDPlaskin）

共性问题：单独等离子体受反向反应、能量效率、放大稳定性制约；「等离子体–催化–膜分离」协同与多参数耦合寻优（含机器学习）是最明确突破口。

六、参考文献

1. 李钟帆, 竺新波, 邬晨, 洪瑜. 等离子体氨分解制氢研究进展. 现代化工, 2025, 45(1).
2. Li N, Zhang C, Li D, Jiang W, Zhou F. Review of reactor systems for hydrogen production via ammonia decomposition. Chemical Engineering Journal, 2024, 495:153125. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.153125
3. Meng S, Chen Y, Cui Z, … Li H, Yi Y, Liu Y. Plasma-Driven Dual-Membrane System for Intensified Hydrogen Production with Integrated Ammonia Recovery. J. Am. Chem. Soc., 2025, 147:42949–42963. https://doi.org/10.1021/jacs.5c15789
4. He Z, Zhu X, Shen G, Hong Y, Yang X, Chen G, Wu Y. Design and application of an experiment platform for hydrogen production by low-temperature plasma-enhanced ammonia decomposition. Experimental Technology and Management, 2024, 41(6):164–171.
5. Gao Y, Zhou M, Hu E, Zhao Y, Yin G, Huang Z. Hydrogen generation by dielectric barrier discharge plasma assisted ammonia decomposition. Energy Conversion and Management, 2024, 306:118271. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2024.118271
6. Andersen J A, Christensen J M, ?stberg M, Bogaerts A, Jensen A D. Plasma-catalytic ammonia decomposition using a packed-bed dielectric barrier discharge reactor. Int. J. Hydrogen Energy, 2022, 47:32081. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.07.102
7. Ruiz-Martín M, Marín-Meana S, Megías-Sánchez A, Oliva-Ramírez M, Cotrino J, González-Elipe A R, Gómez-Ramírez A M. H? Production from NH? in a BaTiO? Moderated Ferroelectric Packed-Bed Plasma Reactor. Plasma Chemistry and Plasma Processing, 2023, 43:2093–2110. https://doi.org/10.1007/s11090-023-10427-7
8. Navascués P, Ruiz-Martín M, Regodón G F, Palmero A, Cotrino J, González-Elipe A R, Gómez-Ramírez A M. Ammonia to Hydrogen Conversion in a Packed-Bed Plasma Reactor with Ferroelectric Pellets Decorated with a High Permittivity Effective Medium Material. Plasma Chemistry and Plasma Processing, 2024. https://doi.org/10.2139/ssrn.4870708
9. Faingold G, Kabour R, Shen S, Lefkowitz J K. Reforming of ammonia and ammonia-air mixtures in a homogenous plasma reactor: Parametric study of hydrogen yields. Int. J. Hydrogen Energy, 2024, 73:856–867.
10. Bernard M, Faingold G, Shen S, Lefkowitz J. Detailed Thermal and Chemical Characterization of Ammonia Dissociation and Oxidation in a Plasma-Stirred Reactor. AIAA SCITECH 2025 Forum, p. 0398.
11. Ammonia cracking for hydrogen production using a microwave plasma torch (MPT) formed in a quarter-wavelength coaxial cavity resonator (QWCCR). Int. J. Hydrogen Energy, 2025. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2025.046518
12. Wu X, Li B, Chen L, Xiang N, Chen W, Xu S. Green Hydrogen Production Through Ammonia Decomposition Using Non-Thermal Plasma. 2025 Int. Conf. on New Power System Technology (PowerCon), Hefei, China, 2025. https://doi.org/10.1109/PowerCon66300.2025.11295770
13. Wu X, Lv L, Ding L, Xu S. High Efficient Ammonia Dissociation in an AC Ferroelectric, Packed-Bed, Nonthermal Plasma Reactor. IEEE ICOPS 2024. https://doi.org/10.1109/ICOPS58192.2024.10627174
14. Zhang M, Chen Q, Chen X, Sun J, et al. Ammonia cracking for COx-free hydrogen production by plasma catalysis over Ni catalysts supported on Al?O?, CeO?. Energy, 2025. https://doi.org/10.1016/j.energy.2025.041635
15. Nonthermal plasma-assisted catalysis NH? decomposition for COx-free H? production: A review. Int. J. Hydrogen Energy, 2023. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.064662
16. Technological Trends in Ammonia-to-Hydrogen Production: Insights from a Global Patent Review. Preprints, 2026. https://doi.org/10.20944/preprints202601.0563.v1
17. Effects of Reactor Geometry on Plasma-Assisted Ammonia Decomposition in Coaxial DBD Reactors at Low Pressures. Energies, 2025, 19(9):2171. https://doi.org/10.3390/en19092171

本报告由文献检索与综述整理生成，仅供研究参考；具体数据以原始论文为准。能量效率因进料与工况差异大，跨研究比较请谨慎。