安徽工业大学曾杰教授团队Chem Catal：等离子体-热催化新策略
物质科学
Physical science
安徽工业大学讲席教授曾杰团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Chem Catalysis上发表了题为“Electricity-driven plasma-thermocatalytic cascade for direct nitrogen fertilizer production from air and water”的研究论文。本研究报道了一种等离子体-热催化级联路线，实现以电力为驱动从空气和水合成NH4NO3。整个过程仅以电力为能源输入，实现了固氮、产氢与热催化的协同耦合。
文章亮点
提出了“全电力驱动”的NH4NO3绿色合成新策略。该工作设计了一种等离子体-热催化串联路径，以空气和水为原料，仅以电力作为唯一能源输入合成NH4NO3。首先，在等离子体步骤中，N2（源自空气）与水反应生成NO和H2。随后，部分NO在热催化步骤中与H2反应生成NH3。最后，剩余NO经空气氧化后，与上述NH3共同吸收，最终得到NH4NO3溶液。
利用等离子体余热驱动热催化，实现能量高效利用。设计了等离子体-热催化一体化反应装置，将固定床反应器置于等离子体炬上方，使等离子体放电产生的热量直接传递至催化剂床层，驱动NO加氢生成NH3。该设计无需外部加热，实现了过程热量的高效利用，提升了整体能效。
N2与水蒸气等离子体固氮路径实现固氮与产氢协同。区别于常规的N2-O2等离子体固氮路径，本研究采用N2与水蒸气放电，在活化氮氮三键生成氮氧化物的同时，同步将水裂解为H2，为后续氮氧化物加氢制NH3提供了氢源，避免了外部供氢需求。此外，该等离子体放电产物以NO和H2为主，不含O2，尾气可直接在Pt/HZSM-5催化剂上高效生成NH3，无需分离提纯。
研究简介
氮肥是全球粮食安全的基石。目前，所有合成氮肥的生产都离不开以化石燃料为氢源的哈伯-博世法合成NH3工艺，该过程消耗全球1%-2%的能源，并产生大量CO2。利用可再生电力驱动的小型化、分布式生产模式，是破解这一困境的有效方案。针对这一挑战，本研究报道了一种等离子体-热催化级联路线，实现以电力为驱动从空气和水合成NH4NO3。如图1所示，该过程主要包含三个关键步骤：首先是等离子体反应步骤，水蒸气随N2一同进入放电区，使N2与水蒸气发生等离子体反应，在活化氮氮三键生成NO的同时生成H2。其次是热催化加氢步骤，利用等离子体放电产生的余热直接加热催化剂床层，可驱动部分NO与H2加氢生成NH3。最后，将剩余NO经空气氧化后与NH3共同吸收，形成NH4NO3水溶液。整个过程仅以电力为能源输入，实现了固氮、产氢与热催化的协同耦合。
图1. 等离子体-热催化驱动N2和水蒸气生成NH4NO3装置示意图及反应流程。
研究团队首先关注了N2与水蒸气在滑动弧放电反应器中的转化行为。从图2A可以看到，在放电过程中，反应腔室的温度逐渐升高，H2与氮氧化物（NOx，包括NO、NO2和N2O，其中NO占比80%以上）的产率在反应初期迅速攀升后便趋于平稳。进一步探究水蒸气浓度和放电电流对反应的影响（图2B、2C），结果表明，较高的水蒸气浓度对H2与NOx的生成更有利，而增大放电电流则显著提升了二者的产率，在0.5 A的放电电流下，H2和NOx的产率分别达到140.0和101.9 mmol h–1。
图2. N2和水蒸气等离子体反应性能。
为实现从NO到NH3的转化，研究团队筛选了不同载体负载的Pt催化剂。如图3A所示，Pt/HZSM-5在NH3的STY和选择性方面均表现最佳。进一步考察Pt负载量的影响（图3B），发现较低负的载量更有利于NH3的生成。如图3C所示，NH3选择性随温度升高呈现火山型变化趋势，在240 ℃达到最优。为揭示反应机理，研究团队在240 ℃下进行了原位DRIFTS表征（图3D、3E）。在Pt/HZSM-5表面，检测到NH3、N2O、N2等物种的信号。相比之下，在主要生成N2的Pt/TiO2催化剂上，这些物种的信号明显减弱。这些结果表明，Pt/HZSM-5能够有效稳定反应中间体，促进NH3的生成。
图3. 不同铂基催化剂上的NO加氢性能及原位红外表征。
为理解催化剂结构与性能的关联，研究团队对Pt/HZSM-5进行了系统的结构表征。HAADF-STEM图像显示（图4A、4B），Pt主要以纳米颗粒形式均匀分散在HZSM-5载体上，晶格间距对应于Pt的(111)晶面。EDS元素面扫进一步证实了Pt纳米颗粒的均匀分布（图4C）。XRD图谱中出现了归属于金属Pt的特征衍射峰（图4D）。X射线吸收谱分析表明（图4E、4F），Pt在催化剂中以金属态存在，且以Pt–Pt配位为主。这些表征结果共同表明，在Pt/HZSM-5催化剂中，Pt以金属纳米颗粒的形式存在。
图4. Pt/HZSM-5催化剂结构表征。
建立等离子体放电与热催化加氢的级联系统后，将Pt/HZSM-5催化剂装填于反应腔室中，可利用等离子体放电释放的热量驱动催化反应。如图5A所示，在放电过程中，腔室温度逐渐上升，H2、NOx和NH3的产率随温度升高而动态变化，在20 min腔体温度达到240 ℃时产率最高，与固定床中的热催化反应结果一致。更高的电流有利于获得更高的NH3产率（图5B）。如图5C所示，经过10个操作循环，吸收液中NH4+和NO3–的浓度随循环次数增加而累积，最终NH4NO3浓度达到51.2 mmol L–1（图5C）。将吸收液蒸发后，获得0.71 g白色粉末（图5D），XRD分析确认其为NH4NO3（图5E）。
图5. 等离子体-热催化级联路线合成NH4NO3的性能。
结论：本研究开发了一条完全由电力驱动的等离子体-热催化级联路线，实现了从空气和水为原料合成NH4NO3。在0.5 A的放电电流下，该路线的NH4NO3产率达到2.0 g h–1，经十个循环操作后溶液浓度可达51.2 mmol L–1，具备直接用于农业施肥的潜力。在此基础上，若结合风能、光伏等间歇性可再生能源，可进一步实现NH4NO3生产与化石燃料的解耦，有效降低CO2排放。该研究为等离子体N2转化与热催化级联路径提供了重要的理论依据与技术支撑。
作者专访
Cell Press细胞出版社特别邀请曾杰讲席教授进行了专访，为大家进一步详细解读。
CellPress：
请简要概述这项工作的亮点。
曾杰讲席教授：
这项工作的核心亮点是提出并验证了一条完全由电力驱动、以空气和水为原料，合成NH4NO3肥料的新路径。我们通过“等离子体活化”和“热催化转化”的级联设计，利用等离子体过程的废热来驱动后续热催化反应，无需外部热源输入，为实现氮肥的绿色、分布式生产提供了新的技术思路。
CellPress：
研究过程中是否遇到了困难？团队是如何克服并顺利解决的？
曾杰讲席教授：
主要的挑战是如何在复杂的等离子体反应产物中，高效、高选择性地将氮氧化物转化为氨。等离子体产生的气体混合物中包含NO、NO2、H2等多种成分。我们通过在固定床中解耦级联反应，进行系统的催化剂筛选，发现Pt/HZSM-5催化剂具有最优的促进NO加氢制NH3的效果。
CellPress：
团队下一步的研究计划是怎样的？
曾杰讲席教授：
目前该路线的氮固定能耗相对于成熟的哈伯法仍然较高。未来的工作将聚焦于进一步降低整个过程的总能耗。具体包括优化等离子体放电模式以提高N2活化的能效；开发新型催化剂，提升NO加氢制NH3的选择性。
CellPress：
最后，请您与我们分享一下选择Chem Catalysis的原因。
曾杰讲席教授：
Chem Catalysis是催化领域的顶尖期刊，以其对创新性催化科学工作的高标准和快速传播而闻名。我们这项研究涉及等离子体与热催化的交叉，旨在解决可持续化学合成中的关键挑战，这与期刊关注能源和环境催化重大进展的定位高度契合。我们很高兴能将这项关于绿色氮肥合成的研究成果发表在Chem Catalysis，希望与全球催化界同仁交流，共同推动相关领域的发展。
作者介绍
曾杰
讲席教授
曾杰，安徽工业大学党委副书记、校长，中国科学技术大学讲席教授。1998年进入中国科学技术大学学习，2002年获应用化学学士学位，2008年获凝聚态物理博士学位，师从侯建国院士。2008年赴美，在美国圣路易斯华盛顿大学夏幼南教授研究团队工作。2012年，回到中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心任教授。2022年9月，受聘中国科学技术大学讲席教授，同年11月起任安徽工业大学党委常委、副校长。2025年1月，任安徽工业大学党委副书记、校长。入选国家杰出青年科学基金、国家高层次人才特殊支持计划科技创新领军人才、英国皇家化学会会士（FRSC），担任国家重点研发计划首席科学家。研究领域为二氧化碳催化转化技术。迄今为止，曾杰教授已在《自然》、《自然·纳米技术》、《自然·催化》、《自然·能源》、《自然·材料》、《自然·合成》、《自然·可持续性》、《自然·化工》等高影响力学术期刊发表了298篇论文，SCI总被引用35000余次，H因子为101，入选2019至2024年的全球高被引科学家名录。申请中美专利共125项，出版书籍5部。荣获何梁何利基金科学与技术创新奖、发展中国家科学院化学奖、中国青年科技奖“特别奖”、科学探索奖、青山科技奖、德国Falling Walls 科学突破奖、英国国际发明展年度国际发明“钻石奖”、中国化学会-巴斯夫公司青年知识创新奖、中国化学会-赢创化学创新奖、侯德榜化工科学技术“创新奖”、中国材料研究学会科学技术奖一等奖、中国颗粒学会自然科学奖一等奖、中国科技产业化促进会科学技术一等奖、安徽省自然科学奖一等奖（两项）等奖项。研究成果入选国家“十三五”科技创新成就展、2022年中国十大科技进展新闻。
▌论文标题：
Electricity-driven plasma-thermocatalytic cascade for direct nitrogen fertilizer production from air and water
▌论文网址：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2667109326000138
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.checat.2026.101661
原标题：《安徽工业大学曾杰教授团队Chem Catal：等离子体-热催化新策略 | Cell Press对话科学家》