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，再利用电化学过程将硝酸还原，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。

空气+水制硝酸

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具有广泛应用。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，制羟胺的原料——氨，在工业上是通过氮气加氢来获取的。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需要高温高压环境，这将导致每年产生3亿吨碳排放，消耗全球约2%的能源。

以空气和水为原料制得的羟胺，并用硫酸作为稳定剂，形成的硫酸羟胺产品照片

中国科学技术大学教授 曾杰：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。

新型催化剂助力高效制出羟胺

得到硝酸后，研究人员开始尝试利用电化学催化过程合成羟胺。

以空气和水为原料电合成羟胺反应路线示意图

从硝酸到羟胺，这是一个还原的过程。然而，这个过程有可能会伴随一些副反应发生，例如硝酸还原到氨，以及体系中的水被还原到氢气。

研究人员对硝酸溶液进行了5小时的持续电解反应，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消耗。

曾杰表示，这种高浓度羟胺溶液经过简单结晶过程就可以获得固体的高纯度硫酸羟胺。

可再生电力驱动的新型固氮过程

固氮是指将空气中的氮气转化为含氮化合物的过程。大气中含量高达78%的氮气是取之不尽的氮资源。然而，氮气分子具有很强的化学惰性，非常稳定。

在传统固氮过程中，将氮气进行化学转化，通常都需要很苛刻的反应条件，这也是现代工业由氮气合成氨需要高温高压驱动的原因。

曾杰介绍，他们研发的等离子体平行电弧放电方法，通过耦合电化学过程，可以有效打破氮气的化学键，实现在温和条件下的高效固氮和定向转化。

中国科学院院士、中国科学院理化技术研究所研究员 吴骊珠：这项工作为发展基于电力驱动的绿色人工固氮过程提供了新范例，是氮物种可持续资源化利用的重要方向。

随着可再生能源发电技术的迅速发展，电力驱动的新型绿色化工过程有望逐步取代高能耗、高碳排放的传统化工生产过程，在不久的将来实现由传统化工向绿色化工的“华丽转身”。

在人工固氮领域，传统合成氨向绿色固氮过程的产业转型将惠及农业生产、工业制造、医药合成、芯片开发等诸多关系国民生产生活的前沿科技领域。

编辑/王朝