等离子体驱动双膜强化制氢系统
近日，化工学院刘毅教授团队在低温氨分解制氢领域取得重要突破。团队成功构建了一种新型的等离子体增强双膜氨分解系统（PEDMADS），该系统巧妙地将低温等离子体催化、用于原位H2分离的高性能Pd膜以及用于NH3回收的S-1分子筛膜三者高效融合。在400℃的温和条件下，该系统实现了高达1567 mmol g-1 h-1的H2时空产率，为构建高效、可持续的氨-氢能源循环提供了新蓝图。相关成果以“Plasma-Driven Dual-Membrane System for Intensified Hydrogen Production with Integrated Ammonia Recovery”为题发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上，论文第一作者为博士生孟圣砚。化工学院易颜辉副教授、物理学院崔兆仑副教授与中国科学院大连化物所李慧研究员共同指导了此项工作。
氨（NH3）作为一种无碳氢载体，在未来可持续能源体系中具有重要战略地位。然而，传统的催化氨分解技术受动力学限制，通常需要550 ℃以上的高温，导致能耗高、催化剂易烧结。将反应与产物原位分离相结合的膜催 化技术是解决这一难题的有效策略。其中，钯（Pd）膜因其对H2的优异选择性渗透能力，能原位移除产物H2，推动反应正向移动从而提高NH3的单程转化率。然而，传统热驱动Pd膜反应器仍受限于催化剂在低温下的活性不足问题。
在这项合作研究中，团队构建的PEDMADS系统成功解决了上述挑战。该系统的核心之一是高性能超薄Pd膜。通过化学镀法制备在多孔α-Al2O3基底内表面，形成了厚度仅为1.8 μm的致密、高纯度金属Pd膜。在反应区中，Pd膜作为一个高效的“氢泵”，原位、连续地将产物H2从反应区移除。
图1. (a)传统热驱动氨分解反应器与(b)本工作构建的等离子体增强双膜集成系统示意图
系统的另一核心是低温等离子体协同ALD技术制备的Ru/SiO2催化剂。等离子体在400 ℃的温和条件下高效活化NH3（转化率为52.1%），Pd膜对H2的及时移除又使NH3转化率在等离子体基础上进一步相对提升了24.8%。这种“等离子体催化”与“原位分离”的强协同效应，显著强化了低温NH3分解过程，实现了当前报道的最高H2产率，显著超越了等离子体催化体系和传统热膜反应器。
图2. (a) 钯膜对等离子体催化氨分解转化率的提升效果；(b) 对应能耗比较；(c)集成系统100 h稳定性测试；(d) 本工作H2产率与文献值对比；(e) 用于NH3回收的五级S-1膜级联示意图；(f) 剩余NH3浓度和累积NH3去除率
此外，该系统还集成了下游S-1分子筛膜级联模块，用于高效回收未反应的NH3（回收率> 87%），实现了原料的闭路循环。技术经济分析表明，该集成系统相较于传统热过程，可将碳足迹降低95.9%，并有潜力满足美国能源部（DOE）的绿色氢气成本目标，展现了巨大的工业应用前景。
该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、教育部智能材料化工前沿科学中心项目和国家自然科学基金委创新团队的支持
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c15789
