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此外，氨作為制造羥胺的原料，從氮?dú)庵蝎@取氨同樣需要耗費(fèi)大量能源。這主要是因?yàn)槟壳暗墓I(yè)合成氨多采用哈伯法，其制作需要在高溫高壓環(huán)境中進(jìn)行，這將導(dǎo)致每年產(chǎn)生3億噸碳排放，消耗全球約2%的能源。

曾杰介紹，工業(yè)制羥胺通常以氨為原料，以氫氣或二氧化硫?yàn)檫€原劑，其生產(chǎn)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(huán)境污染。

俗語稱，雷雨發(fā)莊稼。曾杰解釋，它的科學(xué)原理是，雷電產(chǎn)生的局域高壓環(huán)境會使空氣中的氮?dú)獗谎趸傻趸?，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(jìn)莊稼生長。

于是，研究人員對硝酸溶液進(jìn)行了5小時(shí)的持續(xù)電解，最終得到含量高達(dá)2.5克每升的羥胺溶液。這驗(yàn)證了延長電解時(shí)間可以提高羥胺的累積濃度，并且積累的羥胺不會被再次還原產(chǎn)生氨。

為了抑制這些競爭性副產(chǎn)物，并高選擇性的制備羥胺，研究人員在理論計(jì)算的指導(dǎo)下，開發(fā)出能同時(shí)抑制產(chǎn)氨和產(chǎn)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產(chǎn)率達(dá)到200克每平方米每小時(shí)，羥胺在所有氮化物中的選擇性高達(dá)95%。

“我們通過對等離子體放電裝置和氣體吸收裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了僅以空氣和水為原料，連續(xù)生產(chǎn)濃度高達(dá)7.5克每升的硝酸溶液?！痹苷f。

中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員吳驪珠認(rèn)為：“這項(xiàng)工作通過等離子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(fā)展基于電力驅(qū)動的綠色人工固氮過程提供了新范例，是氮物種可持續(xù)資源化利用的重要方向?！?/p>

曾杰介紹，他們研發(fā)的等離子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?dú)夥肿又械亩栊曰瘜W(xué)鍵，實(shí)現(xiàn)在常溫常壓條件下的高效固氮和定向催化轉(zhuǎn)化。

“在實(shí)際生產(chǎn)中，產(chǎn)物分離成本在生產(chǎn)總成本中占比很高。如果只得到低濃度羥胺，例如毫克每升甚至微克每升量級，那么制羥胺還將需要‘天價(jià)’的分離成本?！痹苷f，為了降低產(chǎn)物分離成本，就需要進(jìn)一步提高羥胺在溶液中的累積濃度。

固氮是指將空氣中的化學(xué)惰性氮?dú)廪D(zhuǎn)化為氨或其他含氮化合物的過程。大氣中含量高達(dá)78%的氮?dú)馐侨≈槐M的氮資源。然而，氮?dú)夥肿泳哂泻軓?qiáng)的化學(xué)惰性，非常穩(wěn)定。

在傳統(tǒng)固氮過程中，將氮?dú)膺M(jìn)行化學(xué)轉(zhuǎn)化，通常都需要很苛刻的反應(yīng)條件，這也是現(xiàn)代工業(yè)由氮?dú)夂铣砂毙枰邷馗邏候?qū)動的原因。

在這個(gè)自然現(xiàn)象的啟發(fā)下，研究人員借助等離子體放電技術(shù)，以可再生電能為驅(qū)動力，成功在常溫常壓條件下將空氣轉(zhuǎn)化為氮氧化物。

尊龙体育网站中新網(wǎng)合肥4月19日電(記者吳蘭)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)曾杰教授、耿志剛教授研究團(tuán)隊(duì)近日另辟蹊徑，以空氣和水為原料設(shè)計(jì)出一種全新的、可持續(xù)的手段成功合成羥胺。

中國科學(xué)院院士、北京大學(xué)教授席振峰表示：“該工作利用等離子體-電化學(xué)級聯(lián)途徑，成功地將環(huán)境中的空氣和水轉(zhuǎn)化為高附加值的羥胺，為化工行業(yè)提供了一種新的潛在的氮源轉(zhuǎn)化途徑?！?/p>

研究人員發(fā)現(xiàn)，堿性液體吸收二氧化氮的效率高，但目標(biāo)產(chǎn)物羥胺在堿性溶液中并不穩(wěn)定，容易分解。并且，堿性溶液的金屬鹽也會對羥胺的分離純化帶來不利影響。

從硝酸到羥胺，這是一個(gè)還原的過程。然而，在氮的多種存在形式中，羥胺并不是最低價(jià)態(tài)，氨才是最低價(jià)態(tài)。也就是說，羥胺不是最終的還原產(chǎn)物，而是一個(gè)中間產(chǎn)物，氨才是最終的還原產(chǎn)物。這使得在硝酸還原制羥胺的過程中，氨成了一個(gè)有競爭性的副產(chǎn)物。

曾杰表示：“接下來，為進(jìn)一步提高合成羥胺的經(jīng)濟(jì)效益，我們將從升級等離子體放電裝置和優(yōu)化高效電催化劑兩方面出發(fā)，進(jìn)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)

等離子體放電會使空氣中產(chǎn)生一氧化氮、二氧化氮和一氧化二氮，其中，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(fā)出一種等離子體平行電弧放電裝置。