天津大学的乙炔高效制乙烯催化剂研究获进展

近日,天津大学的研究团队在“煤衍生的乙炔”电催化半氢化制乙烯研究中取得进展,通过采用纳米铜(3～5 nm)气体扩散电极,在0.5 A/cm2的工业级电流密度下,实现近100%法拉第效率和乙烯选择性,以及长达54 h的电极循环稳定性。相关研究成果发表于《自然·可持续》杂志。

我国传统乙烯生产过程中存在对石油依赖性高、能耗高、碳排放高等问题,发展以煤为碳源、水为氢源,利用煤衍生的乙炔电催化半氢化制乙烯策略符合富煤国情。但该策略受限于严重的析氢竞争以及乙烯过氢化副反应,尚不明确是否能盈利,因而制约了其发展。

该研究团队通过经济技术分析设定可盈利目标,发现抑制工业级电流密度下乙烯过氢化和析氢反应的竞争是实现盈利的关键。通过催化剂精准设计,选用具有弱乙烯吸附的铜催化剂来抑制过氢化竞争,提升乙烯选择性;借助理论计算证实富不饱和位点的纳米铜不仅能促进水的活化,还可以增大析氢反应的能垒,从而提高乙炔电催化剂乙烯的法拉第效率。

纳米铜气体扩散电极是理想的电极材料,但其制备过程受到基底疏水性的限制。该研究团队创新发展限域溶解、界面生长策略,以硝酸铜在疏水电极与碱性电解液界面处缓慢溶解所形成的氢氧化铜为铜源,通过电沉积的方式制备自支撑的纳米铜气体扩散电极。采用该纳米铜气体扩散电极,在较宽电位范围内生成乙烯的法拉第效率均接近100%,可直接在具有波动性特征的太阳能等可再生能源电力下工作。

该研究可为以水为氢源的电催化转移氢化催化剂的设计与合成提供借鉴。