等离子体催化合成氨的气相-表面耦合数值建模与机理

等离子体催化合成氨是低功耗、小型化、工艺简明且无需高温高压条件的新兴可持续固氮技术。为此将Fe/γ-Al_(2)O_(3)催化剂表面反应嵌入ZDPlaskin求解器,合理建立等离子体催化合成氨的气相-表面耦合动力学模型,具体给出振动激发、碰壁驰豫和表面反应的反应速率系数计算方法,研究了反应气氮、氢摩尔分数比r(N_(2)):r(H_(2))对合成氨中电子能量沉积、反应路径贡献率与损耗率和粒子摩尔分数的影响,通过循环反应路径图及系统示意图阐明等离子体催化合成氨的气相-表面耦合动力学机理,并讨论r(N_(2)):r(H_(2))=3:1时粒子数密度的时间演化特性。结果表明:NH_(2)密度随N_(2)含量的提高先增大后减小,在r(N_(2)):r(H_(2))=3:1时达到最大值;此时,振动激发粒子获得更充足的电子能量沉积并解离吸附产生更高数密度的吸附态粒子N(s)和H(s),与r(N_(2)):r(H_(2))=1:3时相比NH_(2)+H_(2)→NH_(2)+H提高近103倍的反应产率且NH_(2)(s)+H(s)→NH_(2)+Surf+Surf(Surf是催化剂表面活性位点)提高约24%产氨贡献率,NH和NH_(2)等中间产物与氨形成的循环反应体系有更大的正反向产率差,在更明显的等离子体–催化剂协同效应下NH_(2)数密度达到最大值。