近日,天津大學(xué)的研究團隊在“煤衍生的乙炔”電催化半氫化制乙烯研究中取得進展,通過采用納米銅(3～5 nm)氣體擴散電極,在0.5 A/cm2的工業(yè)級電流密度下,實現(xiàn)近100%法拉第效率和乙烯選擇性,以及長達54 h的電極循環(huán)穩(wěn)定性。相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然·可持續(xù)》雜志。

我國傳統(tǒng)乙烯生產(chǎn)過程中存在對石油依賴性高、能耗高、碳排放高等問題,發(fā)展以煤為碳源、水為氫源,利用煤衍生的乙炔電催化半氫化制乙烯策略符合富煤國情。但該策略受限于嚴(yán)重的析氫競爭以及乙烯過氫化副反應(yīng),尚不明確是否能盈利,因而制約了其發(fā)展。

該研究團隊通過經(jīng)濟技術(shù)分析設(shè)定可盈利目標(biāo),發(fā)現(xiàn)抑制工業(yè)級電流密度下乙烯過氫化和析氫反應(yīng)的競爭是實現(xiàn)盈利的關(guān)鍵。通過催化劑精準(zhǔn)設(shè)計,選用具有弱乙烯吸附的銅催化劑來抑制過氫化競爭,提升乙烯選擇性;借助理論計算證實富不飽和位點的納米銅不僅能促進水的活化,還可以增大析氫反應(yīng)的能壘,從而提高乙炔電催化劑乙烯的法拉第效率。

納米銅氣體擴散電極是理想的電極材料,但其制備過程受到基底疏水性的限制。該研究團隊創(chuàng)新發(fā)展限域溶解、界面生長策略,以硝酸銅在疏水電極與堿性電解液界面處緩慢溶解所形成的氫氧化銅為銅源,通過電沉積的方式制備自支撐的納米銅氣體擴散電極。采用該納米銅氣體擴散電極,在較寬電位范圍內(nèi)生成乙烯的法拉第效率均接近100%,可直接在具有波動性特征的太陽能等可再生能源電力下工作。

該研究可為以水為氫源的電催化轉(zhuǎn)移氫化催化劑的設(shè)計與合成提供借鑒。