中新網合肥4月19日電(記者 吳蘭)中國科學技術大學曾傑教授、耿志剛教授研究團隊近日另辟蹊徑，以空氣和水為原料設計出一種全新的、可持續的手段成功合成羥胺。

4月19日，該成果發表在國際權威期刊《自然·可持續性》(Nature Sustainability)上。

羥胺是一種重要的化工中間體，在醫藥、農藥、紡織、電子等精細化工領域都具有廣泛應用。

中國科學院院士、北京大學教授席振峰表示：“該工作利用電漿體-電化學級聯途徑，成功地將環境中的空氣和水轉化為高附加值的羥胺，為化工行業提供了一種新的潛在的氮源轉化途徑。”

曾傑介紹，工業制羥胺通常以氨為原料，以氫氣或二氧化硫為還原劑，其生産過程不僅會消耗大量化石資源，還會排放大量二氧化碳，造成環境污染。

此外，氨作為製造羥胺的原料，從氮氣中獲取氨同樣需要耗費大量能源。這主要是因為目前的工業合成氨多采用哈伯法，其製作需要在高溫高壓環境中進行，這將導致每年産生3億噸碳排放，消耗全球約2%的能源。

俗語稱，雷雨發莊稼。曾傑解釋，它的科學原理是，雷電産生的局域高壓環境會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形成硝酸鹽，而硝酸鹽可以作為氮肥被莊稼吸收，最終促進莊稼生長。

以空氣和水為原料電合成羥胺反應路線示意圖。課題組供圖

在這個自然現象的啟發下，研究人員借助電漿體放電技術，以可再生電能為驅動力，成功在常溫常壓條件下將空氣轉化為氮氧化物。

電漿體放電會使空氣中産生一氧化氮、二氧化氮和一氧化二氮，其中，二氧化氮是製備硝酸的主要原料。為提高硝酸的製備效率，研究人員開發出一種電漿體平行電弧放電裝置。

有了二氧化氮，就可以進一步製備硝酸。

研究人員發現，鹼性液體吸收二氧化氮的效率高，但目標産物羥胺在鹼性溶液中並不穩定，容易分解。並且，鹼性溶液的金屬鹽也會對羥胺的分離純化帶來不利影響。

因此，研究人員改用純水作為二氧化氮的吸收劑，並設計出多級氣體迴圈吸收塔裝置，以此更高效獲得高純度硝酸溶液。

“我們通過對電漿體放電裝置和氣體吸收裝置的結構設計，實現了僅以空氣和水為原料，連續生産濃度高達7.5克每升的硝酸溶液。”曾傑説。

得到硝酸後，研究人員開始嘗試利用電催化過程選擇性合成羥胺。

從硝酸到羥胺，這是一個還原的過程。然而，在氮的多種存在形式中，羥胺並不是最低價態，氨才是最低價態。也就是説，羥胺不是最終的還原産物，而是一個中間産物，氨才是最終的還原産物。這使得在硝酸還原制羥胺的過程中，氨成了一個有競爭性的副産物。

與此同時，在水溶液中進行的電催化反應，硝酸和水都有可能被還原。水電解後會産生氫氣，這也是硝酸制羥胺的競爭性副産物。

為了抑制這些競爭性副産物，並高選擇性的製備羥胺，研究人員在理論計算的指導下，開發出能同時抑制産氨和産氫的高選擇性制羥胺催化劑，即鉍基催化劑。在常溫常壓下，鉍基催化劑電催化硝酸還原制羥胺的産率達到200克每平方米每小時，羥胺在所有氮化物中的選擇性高達95%。

“在實際生産中，産物分離成本在生産總成本中佔比很高。如果只得到低濃度羥胺，例如毫克每升甚至微克每升量級，那麼制羥胺還將需要‘天價’的分離成本。”曾傑説，為了降低産物分離成本，就需要進一步提高羥胺在溶液中的累積濃度。

以空氣和水為原料制得的羥胺，並用硫酸作為穩定劑，形成的硫酸羥胺産品照片。課題組供圖

於是，研究人員對硝酸溶液進行了5小時的持續電解，最終得到含量高達2.5克每升的羥胺溶液。這驗證了延長電解時間可以提高羥胺的累積濃度，並且積累的羥胺不會被再次還原産生氨。

曾傑表示，這種高濃度羥胺溶液經過簡單除雜和蒸發結晶就可以獲得固體高純硫酸羥胺。

固氮是指將空氣中的化學惰性氮氣轉化為氨或其他含氮化合物的過程。大氣中含量高達78%的氮氣是取之不盡的氮資源。然而，氮氣分子具有很強的化學惰性，非常穩定。

在傳統固氮過程中，將氮氣進行化學轉化，通常都需要很苛刻的反應條件，這也是現代工業由氮氣合成氨需要高溫高壓驅動的原因。

曾傑介紹，他們研發的電漿體平行電弧放電裝置，通過耦合電催化，可以在溫和條件下打破氮氣分子中的惰性化學鍵，實現在常溫常壓條件下的高效固氮和定向催化轉化。

中國科學院院士、中國科學院理化技術研究所研究員吳驪珠認為：“這項工作通過電漿體放電耦合電催化過程，以空氣和水為原料，在溫和條件下成功合成了高附加值的羥胺，為發展基於電力驅動的綠色人工固氮過程提供了新範例，是氮物種可持續資源化利用的重要方向。”

曾傑表示：“接下來，為進一步提高合成羥胺的經濟效益，我們將從升級電漿體放電裝置和優化高效電催化劑兩方面出發，進一步降低制硝酸的能耗，提高電合成羥胺的能量利用效率。”(完)