中国科学技术大学曾杰教授和耿志刚教授领导的研究小组提出了一种通过等离子体电化学级联途径(PECP)可持续合成羟胺(NH 2 OH)的新模型。他们实现了在温和条件下从环境空气和水中绿色、可持续地合成NH 2 OH。他们的研究发表在《自然可持续性》杂志上。

研究小组从空气和水中制造羟胺

NH 2 OH作为重要的化工中间体，广泛应用于医药、农药、纺织等精细化工领域。传统的NH 2 OH生产方法主要有拉西法、一氧化氮还原法和硝酸还原法。但拉西工艺造成大量氮素损失和环境污染;而另外两种方法的碳排放量很大。因此，迫切需要开发一种绿色、低碳、可持续的NH 2 OH合成新工艺。

以绿色电力为驱动、以水为质子源的电合成工艺有望克服传统NH 2 OH生产工艺的缺点。然而，由于氮分子的热力学稳定性，在氮的直接电催化过程中很难实现氮分子的高效活化。

研究人员开发了一种新工艺，将等离子体固氮与硝酸生产耦合，通过电催化还原硝酸生成NH 2 OH，仅以空气和水为原料，实现了NH 2 OH的绿色、可持续合成。此外，团队还设计了具有多个平行尖端的等离子体放电装置，以扩大重叠区域，从而有效激活氮气。

首先，研究人员将空气引入等离子并联电弧放电装置中，并使用含有甲基橙的水溶液作为废气吸收剂，使溶液由中性转变为酸性。通过优化空气流量，他们获得了最大浓度为20.3毫摩尔/升的硝酸溶液。每个反应周期持续30分钟，等离子体放电装置在20个周期内保持优异的稳定性。所得硝酸溶液稀释并添加电解质后可直接用于电催化合成NH 2 OH。

此外，团队还通过磁控溅射制备了铋金属薄膜催化剂，并将其应用于电催化还原硝酸生产NH 2 OH。

研究了铋薄膜催化剂长期电解100 mmol/L硝酸溶液时电解液中NH 2 OH的积累情况。连续电解5 h后，NH 2 OH最高浓度达到77.7 mmol/L。最终制得1.887g高纯度NH 2 OH硫酸盐产品。

这项研究提出了一种在更温和的条件下从更简单的原料高效合成羟胺的可行方法，这有助于化学工业的可持续转型。