▲第一作者：白雷
通訊作者：屈云騰，冷坤岳，鄭黎榮
通訊單位：西北大學(xué)，光子學(xué)與光子技術(shù)研究所
論文DOI：10.1038/s41467-023-44171-5
近日，西北大學(xué)光子學(xué)與光子技術(shù)研究所的冷坤岳老師、屈云騰教授等與中國(guó)科學(xué)院高能物理所的鄭黎榮老師在Nature Communications 上發(fā)表題為“Efficient industrial-current-density acetylene to polymer-grade ethylene via hydrogen localization transfer over fluorine modified copper”的研究性文章。該工作利用氟改性的銅基催化劑，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)電流密度下的乙炔半加氫制乙烯。乙烯分電流可達(dá)0.76 A cm-2，乙烯法拉第效率超過(guò)90%，最高單程轉(zhuǎn)化率達(dá)到78.5%。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了在串聯(lián)flow-cell中直接將70%乙炔氣直接轉(zhuǎn)化為乙烯，產(chǎn)物中幾乎檢測(cè)不到乙炔殘留，達(dá)到聚酯級(jí)要求。理論計(jì)算和對(duì)比實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，近氟端的銅強(qiáng)化了水解離過(guò)程，產(chǎn)出的活性氫遷移至遠(yuǎn)氟端銅，并于吸附的乙烯分子發(fā)生反應(yīng)。
乙烯是合成聚乙烯的重要基礎(chǔ)化學(xué)品，主要由石油工業(yè)獲得。近年來(lái)，煤基乙炔半加氫為乙烯生產(chǎn)提供了一條非石油的新路線，但是該過(guò)程具有高氫耗和高能耗等問(wèn)題。電化學(xué)乙炔半加氫（ESAE）可在常溫常壓下進(jìn)行，以水為氫源，是更低碳環(huán)保的生產(chǎn)過(guò)程。若使ESAE具有經(jīng)濟(jì)性，該過(guò)程的法拉第效率要達(dá)到85%，且電流密度至少為0.2 A cm-2。銅基催化劑使ESAE過(guò)程中常見(jiàn)且高效的催化劑，但在較大電流下（大于0.1 A cm-2）會(huì)有嚴(yán)重的析氫反應(yīng)，影響乙烯的法拉第效率。因此，在抑制析氫的同時(shí)保證催化劑具有高活性，成為材料設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。（1）在工業(yè)電流密度下實(shí)現(xiàn)乙炔電化學(xué)半加氫制乙烯，乙烯分電流0.76 A cm-2，法拉第效率超過(guò)90%。（2）催化劑在串聯(lián)反應(yīng)池中將70%的乙炔直接轉(zhuǎn)化為聚酯級(jí)乙烯。F修飾的Cu基催化劑，F(xiàn)-Cu鍵合使得催化劑表面同時(shí)具有零價(jià)Cu和正價(jià)銅。Cu-F具有高效的乙炔半加氫性能，電流密度，法拉第效率和乙烯生成速率均十分出色，且催化劑具有良好的穩(wěn)定性。機(jī)理研究發(fā)現(xiàn)近氟銅與遠(yuǎn)氟銅的作用不同，并證明了局部活性氫的轉(zhuǎn)移。在串聯(lián)反應(yīng)池中實(shí)現(xiàn)了70%乙炔直接制乙烯，產(chǎn)物中幾乎檢測(cè)不到乙炔殘留。通過(guò)Cu(111)表面的F改性，制備了高效的乙炔電化學(xué)半加氫催化劑。該催化劑可在工業(yè)級(jí)電流密度下將乙炔轉(zhuǎn)化為乙烯，且法拉第效率較高。該工作為煤基乙炔制聚酯級(jí)乙烯提供了新的設(shè)計(jì)思路。屈云騰，西北大學(xué)光子所教授，入選陜西省高層次引進(jìn)人才計(jì)劃，連續(xù)兩年 （2022-2023）入選科睿唯安全球交叉學(xué)科（物理、化學(xué)、材料）高被引學(xué)者。致力于原子尺度材料與能源催化研究，在單原子材料可控制備、氧還原和氫能源等方面取得創(chuàng)新成果，如實(shí)現(xiàn)塊體金屬到單原子材料直接轉(zhuǎn)變等。在Nat. Catal., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Adv. Fun. Mater., Nano. Res., Small.等期刊發(fā)表SCI收錄論文50余篇，被引用3800余次， H因子26；獲得發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)5項(xiàng)。冷坤岳，西北大學(xué)光子所，教師。從事多孔材料與亞納米金屬團(tuán)簇的催化性能及機(jī)理研究。在J. Catal.， J. Am. Chem. Soc.， Adv. Fun. Mater., Soc., Adv.，等期刊發(fā)表SCI收錄學(xué)術(shù)論文十余篇。獲得授權(quán)專(zhuān)利3項(xiàng)。
