Forskerhold fremstiller hydroxylamin fra luft og vand

Et forskerhold ledet af prof. Zeng Jie og prof Geng Zhigang fra University of Science and Technology of China (USTC) har foreslået en ny model for bæredygtig hydroxylamin (NH₂ OH) syntese via en plasma-elektrokemisk kaskadevej (PECP). De opnåede den grønne og bæredygtige syntese af NH₂ OH fra omgivende luft og vand under milde forhold. Deres undersøgelse er offentliggjort i Nature Sustainability.

NH₂ OH, som et vigtigt kemisk mellemprodukt, er meget udbredt inden for de fine kemiske områder inden for medicin, pesticider, tekstiler og mere. De traditionelle produktionsmetoder for NH₂ OH omfatter hovedsageligt Raschig-processen, en metode til reduktion af nitrogenoxid og en metode til reduktion af salpetersyre. Raschig-processen forårsager imidlertid en stor mængde nitrogentab og miljøforurening; mens de to andre metoder giver store kulstofemissioner. Det haster derfor med at udvikle en ny grøn, kulstoffattig og bæredygtig synteseproces for NH₂ Åh.

Elektrosynteseprocessen drevet af grøn elektricitet og brug af vand som protonkilde forventes at overvinde ulemperne ved traditionel NH₂ OH produktionsprocesser. På grund af nitrogenmolekylers termodynamiske stabilitet er det imidlertid vanskeligt at opnå effektiv aktivering af nitrogenmolekyler i den direkte elektrokatalytiske proces af nitrogen.

Forskerne har opnået den grønne og bæredygtige syntese af NH₂ OH bruger kun luft og vand som råmaterialer ved at udvikle en ny proces, der kobler plasma nitrogenfiksering til salpetersyreproduktion med den elektrokatalytiske reduktion af salpetersyre til NH₂ Åh. Derudover har teamet designet en plasmaudladningsenhed med flere parallelle spidser for at forstørre den overlappende zone for effektiv aktivering af nitrogengas.

Først introducerede forskerne luft i plasma-parallelbueudladningsanordningen og brugte en vandopløsning indeholdende methylorange som udstødningsgasabsorbent til at omdanne opløsningen fra neutral til sur. Ved at optimere luftstrømmen opnåede de en salpetersyreopløsning med en maksimal koncentration på 20,3 millimol pr. liter. Med hver reaktionscyklus, der varede 30 minutter, opretholdt plasmaudladningsanordningen fremragende stabilitet over 20 cyklusser. Den opnåede salpetersyreopløsning kunne anvendes direkte til den elektrokatalytiske syntese af NH₂ OH efter fortynding og tilsætning af elektrolytter.

Derudover forberedte holdet også en vismutmetal tyndfilmkatalysator via magnetronforstøvning og anvendte den til den elektrokatalytiske reduktion af salpetersyre for at producere NH₂ Åh.

Akkumuleringen af ​​NH₂ OH i elektrolytten under langtidselektrolyse af en 100 mmol/L salpetersyreopløsning med en bismuth tyndfilmkatalysator blev undersøgt. Efter kontinuerlig elektrolyse i 5 timer, den højeste koncentration af NH₂ OH nåede 77,7 mmol/L. Til sidst 1,887 g højrent NH₂ OH-sulfatprodukt blev fremstillet.

Denne undersøgelse foreslår en levedygtig måde til effektivt at syntetisere hydroxylamin fra enklere råmateriale under mildere forhold, hvilket bidrager til bæredygtighedstransformationen af ​​den kemiske industri.

Flere oplysninger: Xiangdong Kong et al., Syntese af hydroxylamin fra luft og vand via en plasma-elektrokemisk kaskadevej, Nature Sustainability (2024). DOI:10.1038/s41893-024-01330-w

Journaloplysninger: Naturens bæredygtighed

Leveret af University of Science and Technology i Kina