中国科学杂志社 2026-11-06 19:02:24
你吸的每一口空气里,有78%是氮气,21%是氧气——这哥俩虽然随手可得,却“高冷”得很。想用它们合成制药、农药离不开的硝基化合物?传统套路十分折腾:先要把氮气和氢气在400-500 ℃、200-300个大气压下变成氨,再用氧气和氨在近900 ℃下转化成二氧化氮,进一步与水反应做成硝酸,最后还得靠浓硫酸和硝酸的“强强联合”去生成硝化产物。一套复杂程序下来,不仅耗费大量能量和源材料,还产出一些危险的废弃物。
能不能一步到位,直接用空气和苯酚生成硝基苯酚?
理想很丰满,现实却卡在“两难”上:氮气是自然界里“情绪最稳定”的小分子,具有最稳定的N≡N键,不提供高能量刺激绝不反应;可一旦输入高能量,比氮气活泼得多的氧气和苯酚却首先受不了,立刻“抢戏”并过度转化成不想要的副产物,氮气通常还没来得及参与反应,其他反应物就“变质”了。
(a)PUC过程与传统过程对比,(b)PUC过程合成硝基类产物性能,(c)反应产物定性,(c)产物随时间变化。
中国科学家秀出“组合拳”——等离子体+超声+催化剂(PUC),突破两难瓶颈
这套操作有多秀?在常温(5 ~ 25 ℃)、常压下,直接把空气和苯酚“变”成硝基苯酚和亚硝基苯酚,总产率做到了8.1%,选择性高达92.5%!关键是,整个反应过程简单、条件温和,是极具潜力的“绿色工艺”。
特技拆解:等离子体“点火”,超声和催化剂“助推”
氮气和氧气先经非热等离子体,瞬间被激发并反应生成大量氮氧化物和高活性氧物种——相当于先把氧气和惰性的氮气转化成活泼的中间体,随后这些中间体物种进入含有催化剂的苯酚超声溶液中,高效生成硝基产物。在这个过程中,超声的空化效应与CeO2催化效应一起合作,不仅促进了更多活性氧物种和氮氧化物中间体的生成,还大大加快了气液传质和反应动力学,显著提升整体反应效率。
PUC的巧妙设计:激活空气和活化苯酚“分步走”
“等离子体-超声-催化”的高明之处,在于让等离子体和超声在一个反应器的气-液-固不同区域分工协作:把高能的等离子体气相反应过程与相对温和的液相反应过程分隔开,这样能避免液相中的苯酚被过度的活化和氧化;气相活性物种进入液相以后,在超声与催化剂的协同作用下,将苯酚高效转化为硝基苯酚。
反应过程示意图
这项成果为“直接用空气和有机碳源在温和条件下制备高附加值C-N-O化学品”开辟了新途径,为建立绿色、可持续的化学合成新范式提供了重要借鉴。相关研究论文近期发表于《国家科学评论》(National Science Review, NSR)。
研究论文
Upgrading N2 and O2 into valuable C–N–O chemicals. National Science Review, nwag556, https://doi.org/10.1093/nsr/nwag556
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发布时间:2026-11-06 15:41:07
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