羥胺是一種重要的化工中間體，在醫藥、農藥、紡織、電子等精細化工領(lǐng)域具有廣泛應用。近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)曾杰教授、耿志剛教授研究團隊另辟蹊徑，設計出一種全新的、可持續的手段成功合成羥胺。他們通過(guò)等離子體放電的方式，先將空氣和水高效轉化為高純度硝酸，再利用電催化過(guò)程將硝酸還原，在溫和條件下高選擇性合成出羥胺。該成果日前發(fā)表在國際期刊《自然·可持續性》上。
曾杰介紹，工業(yè)制羥胺通常以氨為原料，以氫氣或二氧化硫為還原劑，其生產(chǎn)過(guò)程不僅會(huì )消耗大量化石資源，還會(huì )排放大量二氧化碳，造成環(huán)境污染。此外，從氮氣中獲取制造羥胺的原料氨同樣需要耗費大量能源。這主要是因為目前的工業(yè)合成氨多采用哈伯法，其需要在高溫高壓環(huán)境中進(jìn)行，這將導致每年產(chǎn)生3億噸碳排放，消耗全球約2%的能源。
俗話(huà)說(shuō)，“雷雨發(fā)莊稼”。曾杰解釋?zhuān)目茖W(xué)原理是雷電產(chǎn)生的局域高壓環(huán)境會(huì )使空氣中的氮氣被氧化成氮氧化物，氮氧化物溶解在雨水中會(huì )形成硝酸鹽，而硝酸鹽可以作為氮肥被莊稼吸收，最終促進(jìn)莊稼生長(cháng)。
在這個(gè)自然現象的啟發(fā)下，研究人員借助等離子體放電技術(shù)，以可再生電能為驅動(dòng)力，成功在常溫常壓條件下將空氣轉化為氮氧化物，其中的二氧化氮是制備硝酸的主要原料。為提高硝酸的制備效率，研究人員開(kāi)發(fā)出一種等離子體平行電弧放電裝置。
研究人員發(fā)現，堿性液體吸收二氧化氮的效率高，但目標產(chǎn)物羥胺在堿性溶液中并不穩定，容易分解。并且，堿性溶液的金屬鹽也會(huì )對羥胺的分離純化帶來(lái)不利影響。因此，研究人員改用純水作為二氧化氮的吸收劑，并設計出多級氣體循環(huán)吸收塔裝置，以此更高效地獲得高純度硝酸溶液。“我們通過(guò)對等離子體放電裝置和氣體吸收裝置的結構設計，實(shí)現了僅以空氣和水為原料，連續生產(chǎn)濃度高達7.5克每升的硝酸溶液。”曾杰說(shuō)。
研究人員在理論計算的指導下，開(kāi)發(fā)出能夠抑制競爭性副產(chǎn)物的高選擇性制羥胺催化劑——鉍基催化劑。在常溫常壓下，鉍基催化劑電催化硝酸還原制羥胺的產(chǎn)率達到200克每平方米每小時(shí)，羥胺在所有氮化物中的選擇性高達95%。
為進(jìn)一步提高羥胺在溶液中的累積濃度，研究人員對硝酸溶液進(jìn)行了5小時(shí)的持續電解，最終得到含量高達2.5克每升的羥胺溶液。這驗證了延長(cháng)電解時(shí)間可以提高羥胺的累積濃度，并且積累的羥胺不會(huì )被再次還原產(chǎn)生氨。曾杰表示，這種高濃度羥胺溶液經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單除雜和蒸發(fā)結晶就可以獲得固體高純硫酸羥胺。
中國科學(xué)院院士、北京大學(xué)教授席振峰表示，該研究利用等離子體-電化學(xué)級聯(lián)途徑，成功地將環(huán)境中的空氣和水轉化為高附加值的羥胺，為化工行業(yè)提供了一種新的潛在的氮源轉化途徑。
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