最近，利用煤和甲烷衍生的C2H2作為原料生產(chǎn)C2H4，能夠避開對石油的需要。然而，C2H2到C2H4的熱催化半加氫通常需要高溫和高壓。此外，使用H2作為氫源會導(dǎo)致能源消耗增加、成本增加和C2H4選擇性降低。
為了解決這些問題，使用水(H2O)作為可持續(xù)的氫源并在環(huán)境條件下操作的電催化半氫化C2H2制備C2H4 (EHAE)提供了一個更有效、環(huán)境友善和低能源的可持續(xù)途徑。然而，EHAE過程的實際實施受到其低反應(yīng)電流密度、C2H2轉(zhuǎn)化率和C2H4的法拉第效率(FE)以及競爭性析氫反應(yīng)(HER)的阻礙。此外，在隨后的C2H4聚合過程中，C2H4原料中殘留的痕量C2H2雜質(zhì)會嚴(yán)重毒害Ziegler-Natta催化劑。因此，需要開發(fā)一個完整的系統(tǒng)，實現(xiàn)超高效率從C2H2電化學(xué)合成C2H4。近日，悉尼科技大學(xué)(UTS)汪國秀、南昌大學(xué)王珺和亞利桑那州立大學(xué)鄧曙光等設(shè)計了一套集C2H2電解槽和Zn-C2H2電池組于一體的串聯(lián)電催化系統(tǒng)，用于高純C2H4的生產(chǎn)。實驗結(jié)果表明，以富氧空位的CuO納米帶為電催化劑(CuO1-x NRs)，在C2H2電解槽中，當(dāng)電流密度為1.0 A cm-2時，C2H4的法拉第效率達(dá)到93.2%；同時，在C2H2流中，Zn-C2H2電池的功率密度達(dá)到3.8 mW cm-2。此外，串聯(lián)電催化系統(tǒng)在1.4 A的大電流下，C2H2的單程轉(zhuǎn)化率為99.998%，C2H4的選擇性為96.1%。理論計算表明，與Cu(111)和Cu2O(111)相比，Ov-Cu2O(111)的d帶中心從?2.13上移到?1.43 eV，促進(jìn)了電催化劑表面上的中間吸附。此外，Ov-Cu2O(111)表現(xiàn)出最低的H2O解離能壘，促進(jìn)了活性H*物種的產(chǎn)生。并且，H2O解離能力的改善并沒有導(dǎo)致更高的HER，表明所產(chǎn)生的H*被吸附在催化劑表面上的C2H2*迅速消耗以產(chǎn)生C2H4產(chǎn)生，從而實現(xiàn)較高的反應(yīng)選擇性。總的來說，該項工作報道了一種在溫和條件下完全轉(zhuǎn)化C2H2的新策略，建立了C2H4生產(chǎn)的非石油路線。并且，與傳統(tǒng)的熱催化工藝相比，串聯(lián)系統(tǒng)可以顯著降低C2H4的總生產(chǎn)成本。Near 100% conversion of acetylene to high-purity ethylene at ampere-level current. Advanced Materials, 2024. DOI: 10.1002/adma.202408681
