乙烯是重要的基礎化工原料。傳統(tǒng)的乙烯生產(chǎn)主要通過石油烴的蒸汽裂解工藝，依賴石油資源，且過程能耗高、碳排放大。

利用煤制乙炔，進一步耦合乙炔制乙烯成為重要的非石油路線，工藝過程更加綠色低碳。

近日，中國科學院大連化學物理研究所在煤基乙炔電催化半加氫制乙烯方面取得進展，為降低乙烯生產(chǎn)工藝的石油依賴和二氧化碳排放量提供了新路線。

01

乙炔半加氫：介觀傳質(zhì)之鑰

乙炔電催化半加氫制乙烯技術(shù)擁有較好的應用前景，但存在反應過電位高、乙烯生成速率和選擇性較低等問題。當前研究大多關(guān)注本征催化活性和原子尺度催化活性結(jié)構(gòu)調(diào)控，但介觀尺度上的傳質(zhì)效應常被忽略。

氣體擴散電極是特殊的多孔電極，通常由催化劑層和氣體擴散層組成。與浸沒在水溶液中的傳統(tǒng)平板電極相比，氣體擴散電極降低了擴散層厚度，能夠允許參與反應的氣體從本體快速擴散到催化層中活性位點附近。

然而，在催化劑層中介觀尺度上不同催化劑顆粒之間的傳質(zhì)效應，影響反應物、中間物種、產(chǎn)物等關(guān)鍵物種在活性位附近的局部濃度，進而改變電催化反應速率。

因此，調(diào)控電極催化劑層微結(jié)構(gòu)、優(yōu)化介觀尺度傳質(zhì)，有望提高煤基乙炔電催化半加氫制乙烯性能。

02

電極結(jié)構(gòu)調(diào)控

針對上述挑戰(zhàn)和問題，研究團隊提出顆粒間傳質(zhì)調(diào)控策略，通過定量分析揭示了氣體擴散電極催化劑層中顆粒間傳質(zhì)的關(guān)鍵作用。

通過機械混合單分散的銅立方體顆粒與導電炭黑這一方法，制備了一系列顆粒間距離可調(diào)（173nm至308nm）的模型氣體擴散電極，并應用于工業(yè)級電流密度下的乙炔電催化半加氫反應。

增加銅立方體的平均顆粒間距離，可提升乙炔電催化半加氫制乙烯性能。當銅立方體電極的平均顆粒間距離增加至265nm時，在堿性膜電極電解器中，研究實現(xiàn)了97.4%的乙烯法拉第效率和1.5A/cm2的乙烯分電流密度，乙烯生成速率最高達44.8mL/min。

▲氣體擴散電極橫截面掃描電鏡圖像（左）和Cu-265電極乙炔電催化半加氫性能（右）

03

跨尺度傳質(zhì)調(diào)控

電化學阻抗譜、工況拉曼光譜和有限元模擬結(jié)果顯示，增加銅立方體顆粒間距離能夠削弱銅納米立方體之間擴散層的重疊。這種重疊的削弱減少了競爭性的乙炔消耗，影響了乙炔在催化活性位點附近的局部濃度。這一變化加速了乙炔的吸附和乙烯的脫附過程，共同促成了高效的乙烯電合成。

▲顆粒間距離對乙炔電催化半加氫性能影響的機制示意圖

盡管乙炔電催化半加氫制乙烯的反應活性和乙烯選擇性都已達工業(yè)級水平，但其能量效率仍然較低，亟需進一步降低反應過電位，從而實現(xiàn)更加高效、低碳的乙烯電合成工藝，形成煤經(jīng)乙炔制乙烯的新路線。

未來高效電催化體系的理性設計需要充分考慮介觀尺度上傳質(zhì)的影響，進而實現(xiàn)催化活性位的原子尺度結(jié)構(gòu)設計、電極催化劑層中介觀傳質(zhì)以及電解器中宏觀三傳一反的跨尺度關(guān)聯(lián)與耦合。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/anie.202513162

來源：中國科學院大連化學物理研究所

責任編輯：曹旸