Ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Zeng Jie und Prof. Geng Zhigang von der University of Science and Technology of China (USTC) hat ein neues Modell für eine nachhaltige Hydroxylamin (NH2OH)-Synthese über einen plasmaelektrochemischen Kaskadenweg (PECP) vorgeschlagen. Ihnen gelang die umweltfreundliche und nachhaltige Synthese von NH2OH aus Umgebungsluft und Wasser unter milden Bedingungen. Ihr Studium ist veröffentlicht In Nachhaltigkeit in der Natur.
NH2OH wird als wichtiges chemisches Zwischenprodukt häufig in den Feinchemiebereichen Medizin, Pestizide, Textilien und mehr eingesetzt. Zu den traditionellen Produktionsmethoden von NH2OH gehören hauptsächlich das Raschig-Verfahren, ein Stickoxid-Reduktionsverfahren und ein Salpetersäure-Reduktionsverfahren. Allerdings verursacht der Raschig-Prozess einen großen Stickstoffverlust und eine große Umweltverschmutzung; während die anderen beiden Methoden große CO2-Emissionen verursachen. Daher ist es dringend erforderlich, ein neues grünes, kohlenstoffarmes und nachhaltiges Syntheseverfahren für NH2OH zu entwickeln.
Der auf Ökostrom und Wasser als Protonenquelle basierende Elektrosyntheseprozess soll die Nachteile herkömmlicher NH2OH-Produktionsverfahren überwinden. Aufgrund der thermodynamischen Stabilität von Stickstoffmolekülen ist es jedoch schwierig, eine effiziente Aktivierung von Stickstoffmolekülen im direkten elektrokatalytischen Prozess von Stickstoff zu erreichen.
Den Forschern gelang die umweltfreundliche und nachhaltige Synthese von NH2OH, bei der nur Luft und Wasser als Rohstoffe verwendet wurden, indem sie ein neues Verfahren entwickelten, das die Stickstofffixierung im Plasma mit der Salpetersäureproduktion mit der elektrokatalytischen Reduktion von Salpetersäure zu NH2OH koppelt. Darüber hinaus hat das Team ein Plasmaentladungsgerät mit mehreren parallelen Spitzen entwickelt, um die Überlappungszone für die effiziente Aktivierung von Stickstoffgas zu vergrößern.
Zunächst führten die Forscher Luft in das Plasma-Parallelbogenentladungsgerät ein und verwendeten eine Wasserlösung mit Methylorange als Abgasabsorptionsmittel, um die Lösung von neutral in sauer umzuwandeln. Durch Optimierung des Luftdurchsatzes erhielten sie eine Salpetersäurelösung mit einer maximalen Konzentration von 20,3 Millimol pro Liter. Da jeder Reaktionszyklus 30 Minuten dauerte, behielt das Plasmaentladungsgerät über 20 Zyklen hinweg eine hervorragende Stabilität bei. Die erhaltene Salpetersäurelösung konnte nach Verdünnung und Zugabe von Elektrolyten direkt für die elektrokatalytische Synthese von NH2OH verwendet werden.
Darüber hinaus stellte das Team mittels Magnetronsputtern einen Dünnschichtkatalysator aus Wismutmetall her und wandte ihn für die elektrokatalytische Reduktion von Salpetersäure zur Herstellung von NH2OH an.
Die Anreicherung von NH2OH im Elektrolyten während der Langzeitelektrolyse einer 100 mmol/L Salpetersäurelösung durch einen Wismut-Dünnschichtkatalysator wurde untersucht. Nach 5-stündiger kontinuierlicher Elektrolyse erreichte die höchste NH2OH-Konzentration 77,7 mmol/L. Schließlich wurden 1,887 g hochreines NH2OH-Sulfatprodukt hergestellt.
Diese Studie schlägt einen praktikablen Weg zur effizienten Synthese von Hydroxylamin aus einfacheren Ausgangsmaterialien unter milderen Bedingungen vor, was zur Nachhaltigkeitstransformation der chemischen Industrie beiträgt.
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Xiangdong Kong et al., Synthese von Hydroxylamin aus Luft und Wasser über einen plasmaelektrochemischen Kaskadenweg, Nachhaltigkeit in der Natur (2024). DOI: 10.1038/s41893-024-01330-w
Bereitgestellt von der University of Science and Technology of China