我科学家以空气和水为原料成功合成羟胺
【科技前沿】
本报合肥4月20日电(记者丁一鸣)羟胺是一种重要的化工中间体,在医药、农药、纺织、电子等精细化工领域具有广泛应用。近日,中国科学技术大学曾杰教授、耿志刚教授研究团队另辟蹊径,设计出一种全新的、可持续的手段成功合成羟胺。他们通过等离子体放电的方式,先将空气和水高效转化为高纯度硝酸,再利用电催化过程将硝酸还原,在温和条件下高选择性合成出羟胺。该成果日前发表在国际期刊《自然·可持续性》上。
曾杰介绍,工业制羟胺通常以氨为原料,以氢气或二氧化硫为还原剂,其生产过程不仅会消耗大量化石资源,还会排放大量二氧化碳,造成环境污染。此外,从氮气中获取制造羟胺的原料氨同样需要耗费大量能源。这主要是因为目前的工业合成氨多采用哈伯法,其需要在高温高压环境中进行,这将导致每年产生3亿吨碳排放,消耗全球约2%的能源。
俗话说,"雷雨发庄稼"。曾杰解释,它的科学原理是雷电产生的局域高压环境会使空气中的氮气被氧化成氮氧化物,氮氧化物溶解在雨水中会形成硝酸盐,而硝酸盐可以作为氮肥被庄稼吸收,最终促进庄稼生长。
在这个自然现象的启发下,研究人员借助等离子体放电技术,以可再生电能为驱动力,成功在常温常压条件下将空气转化为氮氧化物,其中的二氧化氮是制备硝酸的主要原料。为提高硝酸的制备效率,研究人员开发出一种等离子体平行电弧放电装置。
研究人员发现,碱性液体吸收二氧化氮的效率高,但目标产物羟胺在碱性溶液中并不稳定,容易分解。并且,碱性溶液的金属盐也会对羟胺的分离纯化带来不利影响。因此,研究人员改用纯水作为二氧化氮的吸收剂,并设计出多级气体循环吸收塔装置,以此更高效地获得高纯度硝酸溶液。"我们通过对等离子体放电装置和气体吸收装置的结构设计,实现了仅以空气和水为原料,连续生产浓度高达7.5克每升的硝酸溶液。"曾杰说。
研究人员在理论计算的指导下,开发出能够抑制竞争性副产物的高选择性制羟胺催化剂——铋基催化剂。在常温常压下,铋基催化剂电催化硝酸还原制羟胺的产率达到200克每平方米每小时,羟胺在所有氮化物中的选择性高达95%。
为进一步提高羟胺在溶液中的累积浓度,研究人员对硝酸溶液进行了5小时的持续电解,最终得到含量高达2.5克每升的羟胺溶液。这验证了延长电解时间可以提高羟胺的累积浓度,并且积累的羟胺不会被再次还原产生氨。曾杰表示,这种高浓度羟胺溶液经过简单除杂和蒸发结晶就可以获得固体高纯硫酸羟胺。
中国科学院院士、北京大学教授席振峰表示,该研究利用等离子体-电化学级联途径,成功地将环境中的空气和水转化为高附加值的羟胺,为化工行业提供了一种新的潜在的氮源转化途径。
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