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本報合肥4月20日電（記者丁一鳴）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具有廣泛應用。近日，中國科學技術大學曾杰教授、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。該成果日前發表在國際期刊《自然·可持續性》上。

曾杰介紹，工業制羥胺通常以氨為原料，以氫氣或二氧化硫為還原劑，其生產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，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合成氨多採用哈伯法，其需要在高溫高壓環境中進行，這將導致每年產生3億噸碳排放，消耗全球約2%的能源。

俗話說，“雷雨發庄稼”。曾杰解釋，它的科學原理是雷電產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庄稼吸收，最終促進庄稼生長。

在這個自然現象的啟發下，研究人員借助等離子體放電技術，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，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，研究人員開發出一種等離子體平行電弧放電裝置。

研究人員發現，鹼性液體吸收二氧化氮的效率高，但目標產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，並設計出多級氣體循環吸收塔裝置，以此更高效地獲得高純度硝酸溶液。“我們通過對等離子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，連續生產濃度高達7.5克每升的硝酸溶液。”曾杰說。

研究人員在理論計算的指導下，開發出能夠抑制競爭性副產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%。

為進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。這驗証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產生氨。曾杰表示，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。

中國科學院院士、北京大學教授席振峰表示，該研究利用等離子體-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。

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