近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二維材料與能源小分子轉(zhuǎn)化創(chuàng)新特區(qū)研究組研究員鄧德會、副研究員于良團(tuán)隊(duì)提出了在室溫下直接用水做氫源的高效電催化乙炔加氫制乙烯新路徑。
乙烯作為世界上產(chǎn)量最大的化工產(chǎn)品之一，其主要來源為高溫（800 ）石腦油裂解。鑒于我國富煤少油的資源稟賦，開發(fā)以煤基乙炔為原料的高效乙炔加氫制乙烯過程具有重要的戰(zhàn)略意義。然而，該反應(yīng)通常需要在較高的溫度和壓力（~200 ，~5bar）下進(jìn)行，能耗高且容易導(dǎo)致乙炔的過度加氫到乙烷。此外，氫氣的大量消耗也增加了該反應(yīng)的應(yīng)用成本。因此，亟需開發(fā)一種更經(jīng)濟(jì)、高效的低能耗乙炔加氫制乙烯方法。
電化學(xué)乙炔加氫制乙烯與傳統(tǒng)熱催化方法的對比（左圖）及其示意圖（右圖）
本工作中，該研究團(tuán)隊(duì)提出了一種室溫電催化乙炔加氫制乙烯方法。相比于傳統(tǒng)的熱催化方法，該過程在常溫常壓下直接利用水作為氫源進(jìn)行反應(yīng)，從而避免了氫氣的額外供給。與基于可再生能源的電能結(jié)合，該過程提供了一種環(huán)境友好、廉價、高效的乙炔加氫制乙烯新路徑。團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化Cu微粒催化劑，暴露更多的活性面來促進(jìn)乙炔相對于氫的競爭吸附，并利用氣體擴(kuò)散層，促進(jìn)氣/液/固三相界面的形成以及乙炔的傳質(zhì)。該過程在-0.6V（vs.RHE）和29mA/cm2電流密度下，乙烯產(chǎn)物的法拉第效率高達(dá)83.2%，且?guī)缀鯚o過度加氫產(chǎn)物乙烷的生成。原位光譜表征結(jié)合理論計(jì)算研究發(fā)現(xiàn)，Cu表面向吸附態(tài)乙炔分子的電子轉(zhuǎn)移促進(jìn)了乙炔的優(yōu)先吸附和加氫，從而抑制了析氫副反應(yīng)。該過程通過電子耦合質(zhì)子轉(zhuǎn)移機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了高選擇性電催化乙炔加氫制乙烯。該工作為溫和條件下的高效乙炔加氫制乙烯提供了新思路。
相關(guān)研究成果以“Highly Efficient Ethylene Production via Electrocatalytic Hydrogenation of Acetylene under Mild Conditions”為題，于近日發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。上述工作得到了國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、教育部能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心（2011 iChEM）等項(xiàng)目的支持。
