近日,，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心和化學(xué)物理系曾杰教授研究團(tuán)隊(duì)與電子科技大學(xué)材料與能源學(xué)院夏川教授,、鄭婷婷研究員團(tuán)隊(duì)合作，研發(fā)了配位不飽和銅納米點(diǎn)催化劑,，實(shí)現(xiàn)了高活性電催化乙炔半加氫制乙烯并用于乙烯純化,。相關(guān)成果以“Electrosynthesis of polymer-grade ethylene via acetylene semihydrogenation over undercoordinated Cu nanodots”為題發(fā)表在《自然·通訊》上,，論文的共同第一作者是中國(guó)科大博士研究生薛為清和電子科技大學(xué)研究員劉芯言,。
乙烯是重要的化工原料，它代表了一個(gè)國(guó)家的石化工業(yè)水平,。通常,，工業(yè)制取乙烯的過(guò)程中會(huì)不可避免地產(chǎn)生0.5%-3%乙炔，這些少量的乙炔雜質(zhì)在乙烯聚合時(shí)會(huì)不可逆地毒化齊格勒-納塔聚合催化劑,，致其失活,。因此，對(duì)工業(yè)乙烯進(jìn)行純化,、去除乙炔雜質(zhì)顯得尤為重要,。雖然傳統(tǒng)的熱催化乙炔半加氫過(guò)程可以將乙炔雜質(zhì)轉(zhuǎn)化為乙烯，但高溫高壓的運(yùn)行條件,、價(jià)格高昂的鈀基催化材料以及轉(zhuǎn)化率低,、選擇性差等問(wèn)題限制了其進(jìn)一步發(fā)展。
隨著新能源發(fā)電技術(shù)的迅速發(fā)展,，電力成本下降,，電催化乙炔半加氫技術(shù)已經(jīng)具備與傳統(tǒng)能量密集型熱催化過(guò)程在乙烯純化方面競(jìng)爭(zhēng)的潛力。但目前廣泛報(bào)道的高乙炔電化學(xué)活性銅基催化劑仍面臨析氫等副反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng),，從而導(dǎo)致除雜效果不理想,。基于此,，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了配位不飽和銅納米點(diǎn)催化劑,，實(shí)現(xiàn)了在1.35×105毫升每克催化劑每小時(shí)的空速下連續(xù)生產(chǎn)聚合級(jí)乙烯（乙炔濃度低于百萬(wàn)分之一），同時(shí)具有優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性,。
研究人員通過(guò)原位電還原的方法合成了銅納米點(diǎn)作為電化學(xué)乙炔半加氫的催化劑,，在純乙炔氣流下評(píng)估催化劑活性時(shí)發(fā)現(xiàn)，在較寬的電流密度范圍內(nèi),，配位不飽和銅納米點(diǎn)催化劑對(duì)乙烯的法拉第效率均超過(guò)90%,，并在-350毫安每平方厘米的電流密度下達(dá)到最高值95.6%。隨著反應(yīng)電位的增加,，乙烯偏電流密度逐漸增加,，在-0.79伏（相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氫電極）時(shí)，達(dá)到峰值-452.1毫安每平方厘米,。此外,，通過(guò)原位電化學(xué)微分質(zhì)譜發(fā)現(xiàn)，配位不飽和銅納米點(diǎn)催化劑具有更正的產(chǎn)乙烯起始電位,。
圖1 乙炔電還原在（a）銅納米點(diǎn),，（b）微米銅催化劑上的產(chǎn)物分布。（c）兩種催化劑的電位-乙烯偏電流曲線,。（d）原位電化學(xué)微分質(zhì)譜譜圖,。
膜電極反應(yīng)器具有電阻低,、能耗低、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn),，在實(shí)際氣相反應(yīng)中具有廣闊的應(yīng)用前景,。因此，研究人員設(shè)計(jì)了一種膜電極反應(yīng)器用于持續(xù)制備聚合級(jí)乙烯,。在電極面積為25平方厘米的膜電極反應(yīng)器中，在10~50標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘的不同氣體流速下,，配位不飽和銅納米點(diǎn)催化劑均能將0.5%乙炔雜質(zhì)完全轉(zhuǎn)化為乙烯,。此外，隨著流速的增加,，乙烯的選擇性呈上升趨勢(shì),，當(dāng)流速大于20毫升每分鐘時(shí)，乙烯的選擇性保持在90%以上,；當(dāng)流速為50毫升每分鐘時(shí),，乙烯的選擇性達(dá)到93.6%。值得注意的是,，研究人員成功在50標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘的流速下（對(duì)應(yīng)空速1.35×105毫升每克催化劑每小時(shí)）連續(xù)純化粗乙烯合成聚合級(jí)乙烯130小時(shí),，并且?guī)缀鯖](méi)有性能衰減（剩余乙炔低于百萬(wàn)分之一，全池電壓保持在-1.89伏特）,。
圖2 聚合級(jí)乙烯制備,。（a）不同流速下乙炔還原產(chǎn)物選擇性及相應(yīng)的全池電位。（b）穩(wěn)定性測(cè)試,。
該工作通過(guò)催化劑的開(kāi)發(fā),、反應(yīng)機(jī)理的研究以及反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高效率乙炔除雜制備聚合級(jí)乙烯,，為未來(lái)電催化乙烯純化高校催化劑的設(shè)計(jì)帶來(lái)了啟發(fā),。該項(xiàng)研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目,、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持,。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-37821-1
（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心、化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院,、科研部）
