《学术研究》第二期：用空气和水为原料成功合成羟胺

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都广泛应用。记者19日从中国科学技术大学获悉，该校曾杰教授、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。4月19日，该成果发表在国际权威期刊《自然·可持续性》上。

中国科学院院士、北京大学教授席振峰表示：“该工作利用等离子体—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。”

以空气和水为原料电合成羟胺反应路线示意图。

空气+水制硝酸

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，氨作为制造羟胺的原料，从氮气中获取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，其制作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。

俗语称，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。

等离子体放电会使空气中产生一氧化氮、二氧化氮和一氧化二氮；其中，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。

有了二氧化氮，就可以进一步制备硝酸。

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。

图为硫酸羟胺。课题组供图