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近日，天津大學(xué)教授張兵團(tuán)隊(duì)在“煤衍生的乙炔”電催化半氫化制備乙烯研究方面取得進(jìn)展，相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然·可持續(xù)》期刊上。
乙烯產(chǎn)量是衡量一個(gè)國家化工發(fā)展水平的重要指標(biāo)之一。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，而基于我國“富煤”的資源稟賦，發(fā)展以煤為碳源、以水為氫源，利用“煤衍生的乙炔”電催化半氫化制備乙烯策略符合我國國情，有望實(shí)現(xiàn)煤的綠色資源化利用。但目前該策略受限于嚴(yán)重的析氫競爭以及乙烯過氫化副反應(yīng)。此外，該策略的可盈利目標(biāo)尚不明確，制約了其發(fā)展。
張兵團(tuán)隊(duì)首先通過經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析設(shè)定可盈利目標(biāo)，并揭示抑制工業(yè)級電流密度下乙烯過氫化和析氫反應(yīng)的競爭是實(shí)現(xiàn)盈利的關(guān)鍵點(diǎn)?；诖耍瑘F(tuán)隊(duì)進(jìn)行了催化劑的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)：選用具有弱乙烯吸附的銅催化劑來抑制過氫化的競爭，提升乙烯選擇性；借助理論計(jì)算證實(shí)富不飽和位點(diǎn)的納米銅不僅能夠促進(jìn)水的活化，還可以增大析氫反應(yīng)的能壘，從而提高乙烯的法拉第效率。
傳統(tǒng)滴涂型電極材料在工業(yè)級電流密度下較易脫落，自支撐的納米銅氣體擴(kuò)散電極是更加理想的電極材料，但其制備過程受到基底疏水性的限制。研究團(tuán)隊(duì)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，通過電沉積的方式成功制備了自支撐的納米銅（3-5納米）氣體擴(kuò)散電極。
鑒于傳統(tǒng)滴涂型電極材料在工業(yè)級電流密度下易脫落等問題，自支撐的納米銅氣體擴(kuò)散電極是理想的電極材料，但其制備過程易受到基底疏水性的限制，存在一定的挑戰(zhàn)性。因此，該研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新發(fā)展了限域溶解與界面電合成策略，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了3-5 納米銅負(fù)載氣體擴(kuò)散電極。在0.5 安培/平方厘米的工業(yè)級電流密度下，實(shí)現(xiàn)了近100%法拉第效率和選擇性的乙烯合成，以及長達(dá)54 小時(shí)的電極循環(huán)穩(wěn)定性。該策略在較寬電位范圍內(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。此外，全生命周期的碳排放分析結(jié)果表明該策略具有良好的碳減排潛力。
據(jù)悉，該研究不僅為高收率、高選擇性的乙烯生產(chǎn)提供了高效、可持續(xù)的方法，還為水為氫源的電催化轉(zhuǎn)移氫化催化劑的設(shè)計(jì)與合成提供了范例。
