等离子体合成技术助力 “双碳” 目标：低碳化工、固废资源化的机遇与瓶颈

一、引言

      随着全球气候变化问题日益严峻，“双碳" 目标已成为世界各国共识。我国明确提出 “二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和"，这对各行业的绿色转型提出了迫切要求。在众多新兴技术中，等离子体合成技术以其在温和条件下激发化学反应、实现高效转化的特性，逐渐成为助力 “双碳" 目标的研究热点。

      等离子体是物质的第四态，由电子、离子、自由基和中性粒子等组成，富含高能量活性物种。这种独特的组成赋予了等离子体合成技术在化工和固废处理领域极大的应用潜力，有望从源头上改变传统高能耗、高排放的生产和处理模式，开辟低碳、绿色的新路径。

二、等离子体合成技术原理及特点

2.1 技术原理

      等离子体合成技术主要是利用外加电场或磁场，使气体电离形成等离子体状态。在这种状态下，气体中的分子、原子获得足够能量，发生电离、激发和离解等过程，产生大量高活性粒子，如电子、离子、自由基等。这些活性粒子具有高的化学反应活性，能够促使原本在常规条件下难以发生的化学反应得以顺利进行，甚至开辟全新的反应路径。

      以常见的介质阻挡放电等离子体为例，在两个平行电极之间填充绝缘介质，施加交流高压电后，电极间的气体被击穿形成丝状放电通道，通道内的气体迅速被加热、电离形成等离子体区域。在该区域内，气体分子在高能电子的碰撞下发生键的断裂与重组，从而引发一系列化学反应。

2.2 特点

      与传统化学反应技术相比，等离子体合成技术具有显著特点。首先，反应条件温和。传统化工反应往往需要高温、高压等苛刻条件来克服反应的活化能，而等离子体中的高能活性粒子能够在常温常压或相对较低的温度、压力下促使反应发生，有效降低了对设备材质的要求，减少了能源消耗。例如，在合成氨领域，传统 Haber - Bosch 法需在高温（400 - 500℃）、高压（15 - 30MPa）下进行，而等离子体协同催化合成氨技术可在接近常温常压条件下实现氨的合成。

      其次，等离子体合成技术具有高效的活化能力。等离子体中的高能电子、自由基等能够有效打破惰性化学键，如 N≡N、C=O 等，极大地提高了反应物的活性，加快反应速率，提升反应效率。同时，通过调控等离子体参数（如放电电压、频率、气体流量等）以及选择合适的催化剂，还可以实现对反应路径和产物选择性的精准控制，这为制备高附加值化学品提供了可能。

      另外，等离子体合成技术是一种电驱动过程，响应时间快，可快速启停。这一特性使其能够很好地与间歇性的可再生能源（如太阳能、风能）相结合，当可再生能源发电充足时，可启动等离子体合成反应，将电能转化为化学能储存于化学品中；而在能源供应不足时，可停止反应，从而实现能源的高效存储与利用，符合 “双碳" 目标下对能源灵活调配的需求。

三、等离子体合成技术在低碳化工中的机遇

3.1 二氧化碳转化

      二氧化碳作为主要的温室气体，其减排与资源化利用是实现 “双碳" 目标的关键环节。传统的二氧化碳转化方法往往面临反应条件苛刻、能耗高、转化率和选择性低等问题。等离子体合成技术为二氧化碳转化提供了新途径。

      一方面，等离子体能够在温和条件下将二氧化碳高效活化，使其转化为一氧化碳、甲醇、甲烷等具有经济价值的化学品。研究表明，通过介质阻挡放电等离子体与金属氧化物催化剂协同作用，可在常温常压下将二氧化碳和氢气转化为甲醇，二氧化碳转化率可达 20% 以上，甲醇选择性超过 70%。在该过程中，等离子体产生的高能电子与二氧化碳分子碰撞，使其发生电离和激发，形成 CO₂⁺、・CO₂等活性物种，这些活性物种在催化剂表面进一步加氢反应生成甲醇。

     另一方面，等离子体技术还可用于二氧化碳与甲烷的共转化。甲烷是天然气的主要成分，将二氧化碳与甲烷协同转化，既能实现二氧化碳的减排，又能将甲烷转化为更具价值的化学品，如乙烯、芳烃等。中国科学院电工研究所的研究团队采用纳秒脉冲放电等离子体技术，实现了 CO₂/CH₄的精准活化，并创新性设计了金属氧化物界面（CoOₓ/Al₂O₃）催化剂，通过优化等离子体参数与催化剂界面，成功将醇类化合物的选择性提升至 37.2%，为温室气体资源化利用提供了有效解决方案。

3.2 合成氨工艺革新

      氨是重要的化工原料，广泛应用于化肥、制药、合成纤维等行业。传统的 Haber - Bosch 合成氨工艺需要在高温高压条件下进行，能耗巨大，且生产过程中会排放大量的二氧化碳。据统计，全球合成氨工业每年消耗的能源约占世界总能源的 1 - 2%，同时排放约 4.5 亿吨二氧化碳。

      等离子体合成氨技术有望突破传统工艺的限制。等离子体中的高能粒子能够有效打破氮气分子中的 N≡N 三键，降低氮气活化的能垒，使反应能够在相对温和的条件下进行。例如，兰州交通大学的研究团队将等离子体与电催化技术交叉融合，以空气和水为原料构建了绿氨合成新路径。该技术兼具氮源绿色化、反应高效化和工艺节能化三重优势，不仅避免了传统工艺中对高能耗制氢过程的依赖，还减少了二氧化碳排放，为解决当前合成氨效率低或高碳排放问题提供了创新方案。

      此外，等离子体合成氨技术响应迅速、可快速启停的特点，使其能够与可再生能源电力灵活结合，实现分布式生产。在可再生能源丰富的地区，利用风电、光电等产生的电能驱动等离子体合成氨反应，将不稳定的电能转化为化学能储存于氨中，既解决了可再生能源的消纳问题，又实现了绿色低碳合成氨，符合 “双碳" 目标下能源与化工产业协同发展的趋势。

3.3 新型绿色化工原料制备

      在传统化工生产中，许多原料的制备过程存在高能耗、高污染问题。等离子体合成技术为制备新型绿色化工原料提供了机遇。

      以乙炔制备为例，传统乙炔生产采用电石工艺，不仅消耗大量优质石灰石和兰炭资源，每生产 1 吨乙炔还会产生 16.7 吨二氧化碳，并伴有大量难以处置的电石渣。而采用等离子体技术，可利用其高温和高反应活性，将煤、天然气等原料一步转化制得乙炔气体，且生产所得副产物可二次利用。如果全面采用该新技术，全国每年至少可减排 1.4 亿吨二氧化碳，同时与传统电石工艺相比，乙炔直接生产成本可降低 10% - 40%。目前，该技术已通过兆瓦级中试和十兆瓦级工业示范装置运行验证，单套装置年产能可达 5000 吨乙炔，展现出良好的工业化应用前景。

      又如，在合成橡胶、塑料等行业常用的原料 —— 丙烯腈的制备中，传统工艺涉及复杂的反应步骤和大量的化学试剂，且能耗较高。利用等离子体合成技术，可在更温和的条件下，通过对丙烯和氨等原料的活化与转化，实现丙烯腈的绿色合成，有望简化工艺流程，降低能耗与碳排放。

四、等离子体合成技术在固废资源化中的机遇

4.1 城市生活垃圾处理

     随着城市化进程的加速，城市生活垃圾产生量急剧增加。传统的垃圾填埋和焚烧处理方式不仅占用大量土地资源，还会产生二次污染，如填埋产生的渗滤液污染土壤和地下水，焚烧产生的二噁英等有害物质污染空气。

     等离子体气化技术为城市生活垃圾处理提供了新的解决方案。该技术利用等离子体的高温（通常在 3000 - 10000℃），将垃圾中的有机物迅速分解为合成气（主要成分为氢气和一氧化碳），这些合成气可作为燃料用于发电、供热，也可作为化工原料进一步合成甲醇、乙醇等化学品。同时，垃圾中的无机物在高温下形成玻璃体，可用于建筑材料生产，实现了固废的减量化、无害化和资源化。例如，德国的 Thyssenkrupp 工业集团开发的等离子体气化炉，在处理垃圾时能够实现高达 98% 的资源回收率，大幅减少了垃圾填埋量和焚烧带来的环境污染。

      此外，等离子体气化过程中产生的高温能够有效分解垃圾中的有害有机物，如二噁英、多氯联苯等，重金属也会被固化在玻璃体中，降低了二次污染风险。而且，该技术对垃圾的适应性强，可处理混合垃圾，无需复杂的垃圾分类预处理，具有良好的应用前景。

4.2 工业固废处理

     工业生产过程中产生的大量固废，如煤矸石、钢渣、尾矿等，不仅占用大量土地，还会对周边环境造成严重污染。等离子体合成技术在工业固废处理方面具有独特优势。

    对于煤矸石，可利用等离子体热解技术将其转化为高附加值产品。煤矸石中含有一定量的碳和矿物质，在等离子体高温作用下，碳发生热解反应生成可燃气体，矿物质则形成具有特殊性能的陶瓷材料或吸附剂。例如，通过控制等离子体热解条件，可将煤矸石制备成比表面积大、吸附性能良好的活性炭材料，用于废水处理、废气净化等领域，实现了煤矸石的资源化利用与环境污染治理的双重目标。

     在钢渣处理方面，等离子体熔融技术可将钢渣中的铁元素进一步还原回收，提高钢铁资源利用率。同时，熔融后的钢渣形成均匀的玻璃相，可加工成建筑用砂、微晶玻璃等产品。相较于传统的钢渣处理方法，等离子体熔融技术能够更高效地回收有价金属，减少钢渣堆放对环境的影响，且生产的产品附加值更高。

     尾矿中往往含有多种有价金属元素，但由于品位较低，传统选矿方法难以有效回收。等离子体技术可通过选择性活化尾矿中的目标矿物，促进有价金属的富集与回收。例如，采用等离子体预处理技术，可改变尾矿中矿物的表面性质，提高后续浮选或浸出工艺对有价金属的回收率，实现尾矿资源的二次开发利用，减少资源浪费和环境压力。

4.3 电子废物处理

      随着电子信息技术的飞速发展，电子废物产生量呈爆发式增长。电子废物中含有大量的金属（如金、银、铜、钯等）、塑料和玻璃等资源，但同时也含有铅、汞、镉等有毒有害物质。如果处理不当，将对环境和人体健康造成严重危害。

      等离子体技术在电子废物处理中具有显著优势。一方面，通过等离子体高温熔炼，可实现电子废物中金属与非金属的高效分离，金属回收率高。例如，利用等离子体熔炼技术处理废旧线路板，铜、金、银等金属的回收率可达 95% 以上，且熔炼过程中产生的废气经过净化处理后可达标排放。另一方面，等离子体处理后的非金属部分可形成稳定的玻璃体，有效固化其中的有毒有害物质，避免了二次污染。此外，该技术还可将电子废物中的塑料等有机物转化为可燃气体或液体燃料，实现资源的很大化利用。

五、等离子体合成技术面临的瓶颈

5.1 成本问题

      尽管等离子体合成技术具有诸多优势，但其目前较高的成本严重制约了大规模工业化应用。首先，等离子体设备的投资成本较高。以等离子体气化炉为例，其复杂的电极结构、耐高温绝缘材料以及精确的控制系统，使得设备制造和安装成本显著高于传统的化工设备或固废处理设备。而且，为了保证等离子体稳定运行，对供电系统的要求也较高，需要配备专门的稳压、滤波设备，进一步增加了前期投资。

      其次，运行成本也是一个重要因素。等离子体合成过程需要消耗大量电能来维持等离子体的产生与稳定，目前电能成本在运行成本中占比较大。此外，设备的维护成本也不容忽视，由于等离子体环境下设备部件面临高温、高腐蚀等恶劣工况，电极、绝缘材料等关键部件的使用寿命较短，需要定期更换，增加了维护成本和停机时间，影响生产效率。

5.2 反应机制复杂

      等离子体合成技术涉及复杂的物理和化学过程，反应机制尚未明晰。等离子体中存在多种活性粒子，它们之间以及与反应物分子之间的相互作用极为复杂，且反应过程受等离子体参数（如放电电压、频率、气体流量、气体组成等）、催化剂种类与性质、反应温度和压力等多种因素影响。这使得准确解析反应路径、揭示反应机理变得十分困难，给工艺优化和反应器设计带来了极大挑战。

      例如，在等离子体催化二氧化碳转化过程中，虽然已经观察到多种产物生成，但对于二氧化碳分子在等离子体中如何被活化、活性中间体如何在催化剂表面进行吸附、反应以及转化为最终产物的详细过程，仍缺乏深入理解。这种对反应机制认识的不足，导致在实际应用中难以精准调控反应条件，实现高效、高选择性的反应，限制了技术的进一步发展与推广。

5.3 设备稳定性与放大效应

      在实验室规模下，等离子体合成技术已取得了许多令人瞩目的成果，但在向工业化规模放大过程中，面临设备稳定性和放大效应等难题。随着反应器规模增大，等离子体的均匀性难以保证。在大型反应器中，由于电极结构、气体流动分布等因素影响，等离子体可能出现局部放电不均匀、温度分布不均等问题，导致反应效率下降、产物选择性变差，甚至影响设备的安全稳定运行。

      同时，放大过程中还会出现诸如传热、传质效率变化等问题。在小试规模下，反应体系的传热、传质相对容易控制，但在工业化放大后，由于反应器体积增大，传热、传质路径变长，热量和物质的传递阻力增加，可能导致反应热无法及时移除或反应物不能均匀分布，进而影响反应效果。此外，大型设备的启动、停车过程也更为复杂，对设备的稳定性和操作控制提出了更高要求，如何确保大型等离子体设备长期稳定、高效运行，是实现工业化应用亟待解决的问题。

5.4 缺乏成熟的工业化案例与标准规范

      目前，等离子体合成技术在工业化应用方面仍处于起步阶段，成熟的大规模工业化案例相对较少。这使得企业在采用该技术时存在较大顾虑，缺乏实际生产数据和运行经验作为参考，难以准确评估技术的可靠性、经济性以及对生产工艺的适应性。

      同时，由于行业发展尚不成熟，相关的标准规范也不完善。在设备设计、制造、安装以及运行维护等方面，缺乏统一的标准和规范指导，不同企业和研究机构开发的技术和设备在性能、质量等方面存在较大差异，不利于技术的推广应用和行业的健康发展。而且，在产品质量标准方面，对于等离子体合成技术制备的化学品或处理后的固废产物，也缺乏明确的质量标准和检测方法，影响了产品的市场认可度和应用范围。

六、结论与展望

      等离子体合成技术凭借其在温和条件下激发化学反应、实现高效转化的独特优势，在低碳化工和固废资源化领域展现出巨大的应用潜力，为实现 “双碳" 目标提供了切实可行的技术路径。在低碳化工方面，能够有效促进二氧化碳转化、革新合成氨工艺以及制备新型绿色化工原料，从源头减少碳排放，提高能源利用效率；在固废资源化领域，实现了固废的减量化、无害化和资源化，降低了环境压力。

      然而，不可忽视的是，该技术在发展过程中仍面临诸多瓶颈，如成本居高不下、反应机制复杂、设备稳定性与放大效应难题以及工业化案例和标准规范缺失等，这些问题严重制约了其大规模商业化应用。为推动等离子体合成技术在 “双碳" 目标下取得更大突破，未来需要从以下几个方面开展工作：

      在技术研发层面，加大对等离子体反应机制的基础研究投入，利用先进的原位检测技术（如等离子体原位红外光谱、质谱等）和理论计算方法（如密度泛函理论），深入探究等离子体中活性粒子的产生、传输与反应过程，为工艺优化和反应器设计提供坚实的理论支撑。同时，研发新型等离子体发生装置和电极材料，提高等离子体的产生效率和稳定性，降低设备能耗与维护成本。

      在工程应用方面，加强产学研合作，通过建立中试和工业化示范项目，积累实际运行数据和经验，解决设备放大过程中出现的稳定性和放大效应问题，探索适合工业化生产的工艺参数和操作条件。此外，加快制定相关的行业标准和规范，从设备制造、安装调试到产品质量检测等各个环节进行统一规范，促进技术的规范化、标准化发展，提高市场对等离子体合成技术及产品的认可度。

      从政策支持角度，政府应出台鼓励等离子体合成技术发展的政策措施，如提供研发补贴、税收优惠、产业扶持资金等，引导企业和社会资本投入该领域，推动技术的产业化进程。同时，建立健全碳排放交易市场机制，将等离子体合成技术在低碳化工和固废资源化中产生的碳减排量纳入交易范畴，进一步提升技术的经济可行性和市场竞争力。

产品展示

     SSC-DBDC80等离子体协同催化评价系统，适用于合成氨、甲烷重整、二氧化碳制甲醇、污染物讲解等反应。该系统通过等离子体活化与热催化的协同作用，突破传统热力学的限制，实现高效、低能耗的化学反应。

    产品优势：

BD等离子体活化，放电机制：在高压交流电场下，气体（如N₂、H₂、CH₄）被电离，产生高能电子（1-15 eV）、离子、自由基和激发态分子。介质阻挡层（如石英、陶瓷）限制电流，防止电弧放电，形成均匀的微放电丝。

活性物种生成：N₂活化：高能电子解离N₂为N原子（N），突破传统热催化的高能垒（~941 kJ/mol）。H₂活化：生成H*自由基，促进表面加氢反应。激发态分子，降低反应活化能。

热催化增强，表面反应：等离子体生成的活性物种（N*、H*）在催化剂表面吸附并反应，生成目标产物（如NH₃、CH₃OH）催化剂（如Ru、Ni）提供活性位点，降低反应能垒。

协同效应：等离子体局部加热催化剂表面，形成微区高温（＞800°C），加速反应动力学。等离子体诱导催化剂表面缺陷（如氧空位、氮空位），增强吸附能力。等离子体活化降低对温度和压力的依赖，反应条件更温和。通过动态调控调节放电参数（频率、电压）和热催化条件（温度、压力），实现能量输入与反应效率的最佳匹配。

等离子体-热催化协同：突破传统热力学限制，实现低温低压高效反应。

模块化设计：便于实验室研究与工业放大。

智能调控：动态优化能量输入与反应条件。

DBD等离子体诱导催化剂表面缺陷，增强吸附与活化能力；余热利用与动态功率分配提升能效。