近日，我所碳資源小分子與氫能利用研究組（DNL1905組）李慧研究員等與大連理工大學(xué)劉毅教授、崔兆侖副教授和易顏輝副教授團(tuán)隊(duì)合作，構(gòu)建了一種新型的等離子體增強(qiáng)雙膜氨分解系統(tǒng)（PEDMADS）。該系統(tǒng)巧妙地融合了低溫等離子體催化技術(shù)、高性能超薄鈀（Pd）膜，以及用于氨回收的S-1分子篩膜，在400 ℃的溫和條件下，可實(shí)現(xiàn)1567 mmol g-1 h-1的氫氣（H2）時(shí)空產(chǎn)率，為高效、可持續(xù)的氨-氫能源循環(huán)提供了新路徑。
氨（NH3）作為一種主要的零碳?xì)漭d體，在未來(lái)可持續(xù)能源體系中占有重要地位。然而，傳統(tǒng)的催化氨分解技術(shù)受熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)限制，通常需要550 ℃以上的高溫，導(dǎo)致能耗高、催化劑易燒結(jié)。將反應(yīng)與產(chǎn)物原位分離相結(jié)合的膜反應(yīng)器技術(shù)是解決這一難題的有效策略。其中，鈀（Pd）基復(fù)合膜因其對(duì)H2的優(yōu)異選擇性滲透能力，能原位移除產(chǎn)物H2，打破反應(yīng)的平衡限制，從而提高氨的單程轉(zhuǎn)化率。然而，傳統(tǒng)熱驅(qū)動(dòng)鈀膜反應(yīng)器仍受限于催化劑在低溫下的活性不足問(wèn)題。
在本工作中，合作團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的PEDMADS系統(tǒng)的核心材料之一是李慧等開(kāi)發(fā)的高性能超薄鈀膜。該鈀膜通過(guò)化學(xué)鍍法制備在多孔α-氧化鋁（α-Al2O3）基底內(nèi)表面，形成了厚度1.8 μm的致密、高純度金屬鈀層，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)毛細(xì)鈀管的厚度（一般大于50 μm）。在反應(yīng)器中，該鈀膜作為一臺(tái)高效的“氫泵”，可原位、連續(xù)地將產(chǎn)物H2從反應(yīng)區(qū)移除。PEDMADS系統(tǒng)的另一核心材料是劉毅團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的低溫等離子體（DBD）協(xié)同ALD技術(shù)制備的釕/二氧化硅（Ru/SiO2）催化劑。研究發(fā)現(xiàn)，等離子體在400 ℃的溫和條件下高效活化了NH3（轉(zhuǎn)化率為52.1%），產(chǎn)生的高分壓H2為鈀膜的滲透提供了驅(qū)動(dòng)力；鈀膜的及時(shí)移除反過(guò)來(lái)又打破了反應(yīng)平衡，使NH3轉(zhuǎn)化率在等離子體基礎(chǔ)上進(jìn)一步相對(duì)提升了24.8%，最終達(dá)到65.0%。這種“等離子體催化”與“鈀膜分離”的強(qiáng)協(xié)同效應(yīng)，強(qiáng)化了低溫氨分解過(guò)程，提高了H2產(chǎn)率，降低了系統(tǒng)能耗。
此外，該系統(tǒng)還集成了下游S-1分子篩膜級(jí)聯(lián)模塊，用于高效回收未反應(yīng)的NH3（回收率大于87%），實(shí)現(xiàn)了原料的閉路循環(huán)。技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析表明，該集成系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)熱過(guò)程，可將碳足跡降低95.9%，并有潛力滿足美國(guó)能源部（DOE）的綠色H2成本目標(biāo)，展現(xiàn)了優(yōu)良的工業(yè)應(yīng)用前景。
本工作在氨分解鈀膜反應(yīng)器（Chem. Eng. J.，2020）和超薄鈀膜制備（J. Mater. Chem.A，2025）等前期系列工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步展示了高性能鈀膜在新型等離子體耦合反應(yīng)體系中的關(guān)鍵協(xié)同作用。
此前，李慧等針對(duì)超薄鈀膜產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了多項(xiàng)鈀膜制備新技術(shù)和新工藝并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，為芯片和金剛石等材料生產(chǎn)提供80多臺(tái)鈀膜純化器，相關(guān)產(chǎn)品已獲得歐盟認(rèn)證和CNAS認(rèn)證，且已實(shí)現(xiàn)無(wú)故障運(yùn)行超過(guò)三年。該技術(shù)先后入選工信部國(guó)家新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展專業(yè)咨詢委員會(huì)《產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)創(chuàng)新發(fā)展目錄》和2025年“中國(guó)科學(xué)院自主研制科學(xué)儀器”。
相關(guān)成果以“Plasma-Driven Dual-Membrane System for Intensified Hydrogen Production with Integrated Ammonia Recovery”為題，發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（Journal of the American Chemical Society）上。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、遼寧省興遼英才計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。（文/圖 孟圣硯、李慧、劉毅）
