CN115646397A - 一种基于曝气纳秒脉冲放电固氮耦合电催化合成氨的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于曝气纳秒脉冲放电固氮耦合电催化合成氨的装置和方法，所述装置主要包括曝气固氮反应器、纳秒脉冲电源、电化学平台和H型电解池，循环水泵等；首先将空气通过空气泵通入曝气固氮反应器中，用纳秒脉冲电源激励火花放电产生丰富的NOx等离子体，放电30min得到富含HNOx的水溶液；通过循环水泵向H型电解池中移入放电后的溶液；该发明制备了亚稳态铜催化剂，采用电化学平台进行电催化60min，即得到富含NH₄ ⁺的水溶液。本发明设计了一种基于液相曝气固氮反应器并与电化学催化相耦合的装置结构，实现了空气中氮气先氧化HNOx再电催化还原转变NH₃，是一种绿色低碳环保合成氨的新方式。

Description

一种基于曝气纳秒脉冲放电固氮耦合电催化合成氨的装置和 方法

技术领域

本发明涉及一种基于曝气纳秒脉冲放电固氮耦合电催化合成氨的装置和方法，具体涉及液相微气泡纳秒脉冲放电将空气中的氮气氧化制备HNOx活化水溶液，及耦合电催化还原制备合成氨的装置和方法。

背景技术

自然界的固氮方式主要有生物固氮、大气固氮和人工固氮。目前，工业主流固氮的方法仍是哈伯-博施法，其条件需要高温高压，且能耗非常高。哈伯法工艺每年消耗世界天然气的3％～5％用于氢气的提取，消耗世界能源储量的1％～2％，占化肥行业能耗的87％，每年排放超过3亿吨二氧化碳，占温室气体总排放量的1.5％。为了实现“碳达峰、碳中和”的国家目标，迫切需要开发绿色低碳的固氮新技术，进而推动构建可持续发展的“氮循环”和“氨经济”。

专利CN100393612介绍了一种水中固氮的方法及其装置，该装置和方法较好的把空气中的氮气以硝酸盐和亚硝酸盐的形式固定在水中，但该装置的大气泡经过有限个曝气微孔产生，而产生气泡过大时气泡比表面积小，等离子体产生的NOx气体在水中溶解较少，从而活化水溶液中HNOx其浓度不高，固氮能量效率低下等特点；专利CN102583278A通过介质阻挡放电先生成NOx气体，再用H₂O₂吸收制备硝酸溶液，且输入频率需要9kHz，交流输入能量高于110W，该装置需要能量较高；专利CN110983356B通过等离子体射流的方法生成NO_x溶解于水中生成HNO_x溶液，再利用电催化池把HNO_x溶液还原，但通过等离子体射流与水溶液接触面积小且通过气流量大，需要处理较长时间才能产生较高浓度的NOx，在一定功率下，固氮效率相应较低，活化水溶液中HNO_x浓度相对较小；专利CN110983356A通过低温射流等离子活化催化和单原子催化合成氨，该方法采用催化剂制备较为复杂。

目前现有的液相等离子体固氮的方法装置，存在以下不足：(1)液相放电对电源条件要求苛刻，如需要较高能量、较高的电压。(2)目前已有的气液混合等离子体放电(如射流等离体、滑动弧等离子体)产生的NO_x气体会大量弥散在空气中，溶解在水中NOx较少，因此气液混合等离子体放电固氮难以在水中吸收，即等离子体产生NOx难以固定在水中，固氮效率低；而介质阻挡在空气中等离子体放电对NOx的选择性弱，放电易产生臭氧。(3)已有的液相放电装置在液相中高压电极和地电极形成放电通道时会造成电极腐蚀，引入较多的重金属离子(Fe³⁺、Cu²⁺等)。

发明内容

本发明设计了一种简便的曝气固氮反应器，在施加，脉冲电压后，可在液相中放电收集到丰富的NOx活化水溶液，并与电化学催化相结合制备合成氨。。通过“空气-HNO_x-NH₃”工艺，即先把空气中的氮气在水中以HNO_x固定，再利用电催化把活化水中的NOx还原氨的方法研究较少；且本发明设计了制备HNOx活化水溶液和电化学还原一体化装置结构，使小型化制氨更方便、快捷、绿色、环保。

针对上述不足，本发明旨在提出一种基于曝气纳秒脉冲放电固氮耦合电催化合成氨的装置和方法，仅需较低的电压就可以在液相中放电，且能源效率较低；相比与气相合液相不直接接触，该装置和方法，直接让放电等离子体以微气泡为载体溶解于水中，提高了NO_x在水中溶解。高压电极和地电极通过带微孔石英管间隔，放电时有效避免了放电时金属离子腐蚀；并利用曝气放电固氮产生的HNO_x水溶液能够高效地合成氨。本发明基于不锈钢曝气头可以连续不断的产生微米级气泡，并让放电时产生的NO_x等活性粒子以微气泡为载体溶解于水中，提高了HNO_x水溶液的浓度；并且纳秒脉冲电源具有上升沿快、瞬时功率高及平均能量低(上升沿10ns，瞬时功率可达500～800kW，单脉冲能量为7mJ，平均功率为7W)等特点，具有能源效率高的优势；不锈钢曝气头(高压电极)和铜网(地电极)由带微孔石英管间隔，具有类微空心阴极效应的特点，增强了放电效果，具有火花放电和电晕放电两种形式；利用H型电解池还原曝气放电形成的HNO_x水溶液合成氨。

本发明的基于曝气纳秒脉冲电源固氮装置和方法，利用不锈钢曝气头作为高压电极，同时不锈钢曝气头曝气时产生持续不断的气泡具有优良的特性，并利用纳秒脉冲放电上升沿短，瞬时功率高，平均功率低等特点，在输入低能量即可产生较高浓度的HNO_x；之后，产生的HNO_x耦合电催化合成氨。

本发明采用以下技术方案：

一种基于曝气纳秒脉冲放电固氮耦合电催化合成氨的装置，包括曝气固氮反应器、纳秒脉冲电源、空气流量计、气泵、第一循环水泵、第二循环水泵、H型电解池和电化学平台；

曝气固氮反应器内部设置有不锈钢曝气头、石英管及铜网，不锈钢曝气头位于石英管内部，在石英管外壁上贴敷铜网，石英管侧壁上设置有多个通孔；

纳秒脉冲电源与不锈钢曝气头相连；空气流量计进气口与气泵相连，空气流量计出气口与不锈钢曝气头相连；第一循环水泵进水口接纯净水或去离子水，第一循环水泵出水口与曝气固氮反应器进水口相连；第二循环水泵进水口与曝气固氮反应器出水口相连，第二循水环泵出水口与H型电解池相连；H型电解池与电催化平台相连。

进一步地，所述装置还包括第一止水阀和第二止水阀；第一止水阀位于曝气固氮反应器底部进水口位置；第二止水阀位于曝气固氮反应器底部出水口的位置，其中第一止水阀与第一循环水泵相连，第二止水阀与第二循环水泵相连。

进一步地，所述纳秒脉冲电源提供快上升沿、高瞬时功率的脉冲给曝气固氮反应器。所述快上升沿、高瞬时功率的脉冲是指脉宽为15ns，上升沿为10ns，瞬时功率可达500～800kW的脉冲。

进一步地，所述H型电解池中NHOx溶液由曝气固氮反应器产生，所述电化学平台对H型电解池进行电催化实验。

进一步地，所述不锈钢曝气头分为上下两部分：上部分为Ф6的不锈钢管，用于进气；下部分由不锈钢粉末经过高温煅烧而形成微孔结构，其微孔结构即为煅烧结块成后粉末颗粒之间的间隙。微孔可以将空气均匀地分割为若干小的空气分子，可在通气过程中产生直径为0.2-0.5μm的微气泡均匀分布在不锈钢曝气头高压电极和外置铜网地电极之间，微气泡的引入使液相电场发生畸变，降低击穿场强。

进一步地，所述石英管侧壁上设置有40个1mm的孔，在石英管外壁上贴敷铜网。

进一步地，所述铜网作为地电极；不锈钢曝气头作为高压电极。

进一步地，等离子体放电区域包括：(a)高压电极和地电极经石英管壁阻挡区域；和(b)高压电极和地电极通过石英管壁上的通孔形成火花放电通道。所述阻挡区域内放电形式为电晕放电。所述火花放电通道内放电形式为火花放电。等离子体放电区域的放电形式主要为火花放电。

进一步地，等离子体放电区域为高压电极和地电极经纳秒脉冲电源激励所形成的等离子体放电区域有两种放电形式电晕放电和火花放电，介质阻挡处放电属于电晕放电，高压电极和地电极形成放电通道时为火花放电。

一种基于曝气纳秒脉冲放电固氮耦合电催化合成氨的方法，使用如上任一项所述的装置，所述方法包括以下步骤：曝气固氮反应器通过纳秒脉冲电源供电，并通过气泵和流量计为其提供预定流速的空气；第一循环水泵进水口为纯净水或去离子水，出水口连接为曝气固氮反应器的进水口提供去离子水或纯净水；第二循环水泵进水口与曝气固氮反应器的出水口相连，出水口和H型电解池的进水口相连，为H型电解池提供经曝气固氮反应器反应后的NOx水溶液；电化学平台对H型电解池中溶液进行电催化还原氨；不锈钢曝气头其底下一部分由不锈钢粉末煅烧成微孔结构能够产生微气泡，并作为曝气固氮反应器的高压电极；地电极为铜网；石英管介于不锈钢曝气头高压电极和地电极之间，石英管侧壁有40个1mm微孔，微孔存在增强放电时的电场场强；放电区域为在纳秒脉冲电源施加脉冲电压时，在不锈钢曝气头和地电极之间出现的等离子体放电区域。

具体地，本发明公开一种基于曝气纳秒脉冲放电固氮耦合电催化合成氨的装置。所述装置由曝气纳秒脉冲放电固氮单元，电催化单元，以及供气和循环水单元三部分组成。其中，曝气纳秒脉冲放电固氮单元包括曝气固氮反应器1，纳秒脉冲电源2，第一循环水泵5，第二循环水泵6；电催化单元包括H型电解池7，电化学平台8；供气和循环水单元包括空气流量计3，气泵4。其中，曝气固氮反应器为本发明设计的独特装置，其结构包括不锈钢曝气头9，放电区域10，石英管11，铜网12，第一止水阀13，第二止水阀14。

所述装置具体部件包括曝气固氮反应器1，纳秒脉冲电源2，空气流量计3，气泵4，第一循环水泵5，第二循环水泵6，H型电解池7，电化学平台8，不锈钢曝气头9，放电区域10，石英管11，铜网12，第一止水阀13，第二止水阀14。

所述曝气固氮反应器1为本发明的独特装置，其结构包括不锈钢曝气头9，放电区域10，石英管11，铜网12，第一止水阀13，第二止水阀14。所述曝气固氮反应器1中的不锈钢曝气头9，与纳秒脉冲电源2相连，曝气固氮反应器1上的第一止水阀13与第一循环水泵5相连；曝气固氮反应器1上的第二止水阀14与第二循环水泵6相连，控制溶液的流进及流出。

所述纳秒脉冲电源2与曝气固氮反应器1中的不锈钢曝气头9相连，为曝气固氮反应器1提供脉冲电压。

所述空气流量计3进气口与气泵4相连，出气口与曝气固氮反应器1中的不锈钢曝气头9相连接，控制气体流速。

所述气泵4与空气流量计3进气口相连，为曝气固氮反应器1提供一定流速的空气。

所述第一循环水泵5出水口与第一止水阀13相连，控制曝气固氮反应器1中的进水流量。

所述第二循环水泵6与第二止水阀14相连，控制曝气固氮反应器1中的出水流量。

所述H型电解池7(单室容量150mL)与第二循环水泵6出水口相连，第二循环水泵6泵入固氮反应器1中产生的NOx水溶液；并由电催化平台8控制电催化合成氨实验。

所述电化学平台8采用三电极对H型电解池7进行电催化实验。

所述不锈钢曝气头9为曝气固氮反应器1的高压电极，与纳秒脉冲电源12相连；同时作为微气泡具备微气泡产生的特性。

所述等离子体放电区域10为不锈钢曝气头9和外置铜网12经纳秒脉冲电源2激励所形成的区域。

所述石英管11侧壁上带有用激光打有40个1mm的微孔，石英管11位置介于不锈钢曝气头9和铜网12之间。

所述铜网12，作为地电极贴敷在带孔石英管11外壁上，作为地电极。

所述第一止水阀13进水口与第一循环泵5相连，出水口与曝气固氮反应器1进水口相连。

所述第二止水阀14进水口与曝气固氮反应器1相连，出水口与H型电解池7相连。

本发明有益效果为：

其一，利用快纳秒脉冲电源(脉宽15ns)耦合微米气泡使空气中氮气快速地以NOx水溶液固定；

其二，制备出高效的亚稳态泡沫铜催化剂，使上一步的NOx在较短时间还原合成氨；

其三，利用本发明中的制备HNOx活化水溶液和电化学还原一体化装置结构使制备小型化的合成氨氨方便快捷，绿色环保。其具体的特点为：(1)本发明曝气的方式为利用不锈钢曝气头9够持续不断的产生0.2-0.5μm的微气泡，并利用微气泡存在时间长、比面积大、传质效率高等特点高效地溶解于水中；同时，不锈钢曝气头9又可作为高压电极，发生放电时的有效面积较大。(2)本发明使用的电源为纳秒脉冲电源2，具有脉冲上升沿快、瞬时功率高等特点，能够在较低输入能量下激励曝气固氮反应器放电，使大气中的N₂以较高浓度的HNO_x固定在水溶液中。(3)本发明中基于曝气纳秒脉冲放电产生的HNO_x水溶液利用H型电解池7，能够高效地还原合成氨。

附图说明

图1装置总体；

图2基于曝气液相放电固氮单元装置图；

图3曝气放电HNOx的浓度随时间变化图；

图4电催化HNOx合成氨图；

图中，1曝气固氮反应器，2纳秒脉冲电源，3空气流量计，4气泵，5第一循环水泵，6第二循环水泵，7H型电解池，8电化学平台，9不锈钢曝气头，10放电区域，11石英管，12铜网，13第一止水阀，14第二止水阀。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例的叙述，本领域的技术人员是可以完全实现本发明权利要求的全部内容。

本发明公开一种基于曝气纳秒脉冲放电固氮耦合电催化合成氨的装置和方法。如图1-2所示，所述装置由曝气纳秒脉冲放电固氮单元，电催化单元，以及供气和循环水单元三部分组成。其中，曝气纳秒脉冲放电固氮单元包括曝气固氮反应器1，纳秒脉冲电源2，第一循环水泵5，第二循环水泵6；电催化单元包括H型电解池7，电化学平台8；供气和循环水单元包括空气流量计3，气泵4。

所述的一种基于曝气纳秒脉冲放电固氮耦合电催化合成氨的装置和方法，实验装置具体组成部分包括曝气固氮反应器1，纳秒脉冲电源2，空气流量计3，气泵4，第一循环水泵5，第二循环水泵6，H型电解池7和电化学平台8。

曝气固氮反应器1内部设置有不锈钢曝气头9、石英管11及铜网12。不锈钢曝气头9位于石英管11内部，在石英管11外壁上贴敷铜网12。石英管11侧壁上设置有40个小孔，所述小孔为通孔。

纳秒脉冲电源2与不锈钢曝气头9相连；空气流量计3进气口与气泵4相连，空气流量计3出气口与不锈钢曝气头9相连；第一循环水泵5进水口接纯净水或去离子水，第一循环水泵5出水口与曝气固氮反应器1进水口相连；第二循环水泵6进水口与曝气固氮反应器1出水口相连，第二循环水泵6出水口与H型电解池7相连；H型电解池7与电催化平台8相连。

如图2所示，所述曝气固氮反应器1为本发明的独特装置，其结构包括不锈钢曝气头9、放电区域10、石英管11、铜网12、第一止水阀13和第二止水阀14。不锈钢曝气头9下口为不锈钢粉末煅烧而成的微孔结构，能够将空气均匀的分割为若干小的空气分子，在高压和地电极之间形成大量的0.2-0.5μm的微气泡，不锈钢曝气头9并作为放电的高压电极；铜网12作为地电极；石英管11作为介质阻挡，石英管11侧壁上有40个1mm的微孔。第一循环水泵5依次连接第一止水阀13和曝气固氮反应器1进水口。曝气固氮反应器1出水口依次连接第二止水阀14和第二循环水泵6。第一止水阀13控制去离子水流入固氮反应器1中；第二止水阀14控制处理后活化水的流出固氮反应器1；放电区域10包括电晕放电(高压电极和地电极经石英管壁阻挡区域)和火花放电(高压电极和地电极通过石英管壁的微孔形成火花放电通道)两部分。

所述纳秒脉冲电源2与曝气固氮反应器1中的不锈钢曝气头9相连，提供快上升沿、高瞬时功率(上升沿10ns，瞬时功率可达500～800kW，单脉冲能量为7mJ，平均功率为7W)的脉冲，在曝气固氮反应器中形成强烈的放电区域10(电晕放电和火花放电)。

所述空气流量计3进气口与气泵4相连，出气口与曝气固氮反应器1中的不锈钢曝气头9相连，控制空气进入不锈钢曝气头9空气流速，在反应器中充满大小均匀的微气泡；

所述气泵4与空气流量计3进气口相连，为曝气固氮反应器1提供一定流速的空气，气泵的空气流速最高可为10L/min。

所述第一循环水泵5出水口与第一止水阀13相连，控制曝气固氮反应器1中的进水流量。

所述第二循环水泵6进水口与第二止水阀相14连，控制曝气固氮反应器1中的出水流量，为H型电解池7提供放电处理后的活化水溶液。

所述H型电解池7(单室容量150mL)与第二循环水泵6出水口相连，第二循环水泵6泵入固氮反应器1中产生的NOx水溶液，并通过电化学平台8进行电催化实验；

所述电化学平台8采用三电极对H型电解池7进行电催化实验。

所述不锈钢曝气头9分为上下两部分：上部分为Ф6的不锈钢管，用于进气；下部分由不锈钢粉末煅烧结块而成直径为Ф17mm，高度为30mm的圆柱曝气头，粉末连接处有微小空隙能够将空气均匀的分割为若干小的空气分子,可形成0.2-0.5μm的微气泡。

所述等离子体放电区域10为不锈钢曝气头9和外置铜网12经纳秒脉冲电源2激励所形成的区域，包括电晕放电(高压电极和地电极经石英壁阻挡区域)和火花放电(高压电极和地电极通过石英管壁小孔形成火花放电通道)两部分，放电形式以火花放电为主。

所述带孔石英管11，内直径为19mm，外直径为21mm，石英管11侧壁上有用激光打有40个1mm的微孔，用于排气和增加放电场强；并在石英管11外壁上贴敷一层铜网12，作为地电极。

所述铜网12，作为地电极贴敷在带孔石英管11外壁上。

所述第一止水阀13进水口与第一循环泵5相连，出水口与曝气固氮反应器1进水口相连，控制去离子水或纯净水的流入。

所述第二止水阀14进水口与曝气固氮反应器1相连，出水口经过第二循环水泵与H型电解池7相连，控制曝气固氮反应器1反应后的NOx活化水溶液的流出。

实施例1：

打开第一止水阀13，通过第一循环水泵5向曝气固氮反应器1提供200mL去离子水或纯净水，关闭第一止水阀13；打开气泵4和调节空气流量计3，为曝气固氮反应器1提供流速为2L/min的空气；打开纳秒脉冲电源提供上升沿10ns脉冲波，其平均功率为7W，激励曝气固氮反应器1放电30min，关闭电源，经过检测可得到曝气固氮反应器1得到HNOx溶液浓度约为5mmol/L。HNOx浓度变化如图3所示，用纳秒脉冲电源耦合微气泡液相放电，活化水溶液中的NOx随放电时间几乎呈线性增加，放电30min，NOx水溶液浓度可达5mmol/L,经计算固氮的速率可达2mmol/h，其能源效率可达12.6MJ/mol。

实施例2：

实施例1中的放电30min后制得的200mLHNOx溶液经4mL1MKOH溶液处理后,打开第二止水阀14，通过第二循环水泵6通入H型电解池7中，其每个单室各100mL，关闭第二止水阀；此处采用的催化剂为面积为0.5*2cm²的经处理的Cu/Cu₂O亚稳态泡沫铜，其处理的方法为面积为0.5*2cm²经过300～500℃高温煅烧30min形成CuO泡沫铜形式(黑色),后用电化学平台恒电位-1.3VvsRHE下进行对上一步的CuO泡沫铜进行电化学还原30min形成Cu/Cu₂O亚稳态铜催化剂(古铜色)；用上一步处理好的催化剂在电压-1.3VvsRHE下进行电催化处理上述的NOx溶液；用此催化剂处理上述NOx水溶液，电催化处理时间为60min，收集并测试电催化的合成氨的浓度；继续上述的步骤，重复实验5次，电催化水溶液NOx转化NH₄ ⁺浓度可达1.5mM，法拉第效率可达86％；此催化剂性能优良，可重复利用；催化效果图如图4，基于水下曝气固氮耦合电催化还原合成氨，在较短时间内可得到浓度为1.5mMNH₄ ⁺溶液，且催化剂重复可利用。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于曝气纳秒脉冲放电固氮耦合电催化合成氨的装置，其特征在于，包括曝气固氮反应器(1)、纳秒脉冲电源(2)、空气流量计(3)、气泵(4)、第一循环水泵(5)、第二循环水泵(6)、H型电解池(7)和电化学平台(8)；

曝气固氮反应器(1)内部设置有不锈钢曝气头(9)、石英管(11)及铜网(12)，不锈钢曝气头(9)位于石英管(11)内部，在石英管(11)外壁上贴敷铜网(12)，石英管(11)侧壁上设置有多个通孔；

纳秒脉冲电源(2)与不锈钢曝气头(9)相连；空气流量计(3)进气口与气泵(4)相连，空气流量计(3)出气口与不锈钢曝气头(9)相连；第一循环水泵(5)进水口接纯净水或去离子水，第一循环水泵(5)出水口与曝气固氮反应器(1)进水口相连；第二循环水泵(6)进水口与曝气固氮反应器(1)出水口相连，第二循环水泵(6)出水口与H型电解池(7)相连；H型电解池(7)与电催化平台(8)相连。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括第一止水阀(13)和第二止水阀(14)；第一止水阀(13)位于曝气固氮反应器(1)底部进水口位置；第二止水阀(14)位于曝气固氮反应器(1)底部出水口的位置，其中第一止水阀(13)与第一循环水泵(5)相连，第二止水阀(14)与第二循环水泵(6)相连。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述纳秒脉冲电源(2)提供快上升沿、高瞬时功率的脉冲给曝气固氮反应器(1)；所述快上升沿、高瞬时功率的脉冲的脉宽为15ns，上升沿为10ns，瞬时功率可达500～800kW。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述H型电解池(7)中NHOx溶液由曝气固氮反应器(1)产生，所述电化学平台(8)对H型电解池(7)进行电催化实验。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述不锈钢曝气头(9)分为上下两部分：上部分为Ф6的不锈钢管，用于进气；下部分由不锈钢粉末经过煅烧而形成的微孔结构，其微孔结构即为煅烧结块后粉末颗粒之间的间隙，在通气过程中直径为0.2-0.5μm的微气泡均匀分布在不锈钢曝气头(9)高压电极和外置铜网(12)地电极之间。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，等离子体放电区域(10)为不锈钢曝气头(9)高压电极和外置铜网(12)地电极经纳秒脉冲电源(2)激励所形成的等离子体放电区域。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，等离子体放电区域(10)包括：(a)高压电极和地电极经石英管壁阻挡区域；和(b)高压电极和地电极通过石英管壁上的通孔形成的火花放电通道；优选的，所述阻挡区域内放电形式为电晕放电；优选的，所述火花放电通道内放电形式为火花放电。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述石英管(11)侧壁上设置有40个1mm的孔。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述铜网(12)作为地电极；不锈钢曝气头(9)作为高压电极。

10.一种基于曝气纳秒脉冲放电固氮耦合电催化合成氨的方法，其特征在于，使用如权利要求1-9任一项所述的装置，所述方法包括以下步骤：曝气固氮反应器(1)通过纳秒脉冲电源(2)供电，并通过气泵(4)和流量计(3)为其提供预定流速的空气；第一循环水泵(5)进水口为纯净水或去离子水，出水口连接为曝气固氮反应器(1)的进水口提供去离子水或纯净水；第二循环水泵(6)进水口与曝气固氮反应器(1)的出水口相连，出水口和H型电解池(7)的进水口相连，为H型电解池(7)提供经曝气固氮反应器(1)反应后的NOx水溶液；电化学平台(8)对H型电解池(7)中溶液进行电催化还原氨；不锈钢曝气头(9)其底下一部分由不锈钢粉末煅烧成微孔结构能够产生微气泡，并作为曝气固氮反应器(1)的高压电极；地电极为铜网(12)；石英管(11)介于不锈钢曝气头(9)高压电极和地电极之间，石英管(11)内壁有40个1mm微孔，微孔存在增强放电时的电场场强；放电区域(10)为在纳秒脉冲电源(2)施加脉冲电压时，在不锈钢曝气头(9)和铜网(12)地电极之间出现的等离子体放电区域。

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