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大连化物所实现室温下电催化乙炔加氢制乙烯

撰稿: 大连化学物理研究所 发布时间:2021-12-08

  近日,中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室二维材料与能源小分子转化创新特区研究组研究员邓德会、副研究员于良团队提出了在室温下直接用水做氢源的高效电催化乙炔加氢制乙烯新路径。

  乙烯作为世界上产量最大的化工产品之一,其主要来源为高温(800℃)石脑油裂解。鉴于我国富煤少油的资源禀赋,开发以煤基乙炔为原料的高效乙炔加氢制乙烯过程具有重要的战略意义。然而,该反应通常需要在较高的温度和压力(~200℃,~5bar)下进行,能耗高且容易导致乙炔的过度加氢到乙烷。此外,氢气的大量消耗也增加了该反应的应用成本。因此,亟需开发一种更经济、高效的低能耗乙炔加氢制乙烯方法。

电化学乙炔加氢制乙烯与传统热催化方法的对比(左图)及其示意图(右图)

  本工作中,该研究团队提出了一种室温电催化乙炔加氢制乙烯方法。相比于传统的热催化方法,该过程在常温常压下直接利用水作为氢源进行反应,从而避免了氢气的额外供给。与基于可再生能源的电能结合,该过程提供了一种环境友好、廉价、高效的乙炔加氢制乙烯新路径。团队通过优化Cu微粒催化剂,暴露更多的活性面来促进乙炔相对于氢的竞争吸附,并利用气体扩散层,促进气/液/固三相界面的形成以及乙炔的传质。该过程在-0.6V(vs.RHE)和29mA/cm2电流密度下,乙烯产物的法拉第效率高达83.2%,且几乎无过度加氢产物乙烷的生成。原位光谱表征结合理论计算研究发现,Cu表面向吸附态乙炔分子的电子转移促进了乙炔的优先吸附和加氢,从而抑制了析氢副反应。该过程通过电子耦合质子转移机制,实现了高选择性电催化乙炔加氢制乙烯。该工作为温和条件下的高效乙炔加氢制乙烯提供了新思路。

  相关研究成果以“Highly Efficient Ethylene Production via Electrocatalytic Hydrogenation of Acetylene under Mild Conditions”为题,于近日发表在《自然-通讯》(Nature Communications)上。上述工作得到了国家自然科学基金委、中国科学院前沿科学重点研究项目、教育部能源材料化学协同创新中心(2011·iChEM)等项目的支持。

  文章链接:https://doi.org/10.1038/s41467-021-27372-8