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近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)曾杰教授研究團(tuán)隊(duì)與電子科技大學(xué)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。
研究團(tuán)隊(duì)通過催化劑的開發(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乙烯，為未來電催化乙烯純化高效催化劑的設(shè)計(jì)帶來了啟發(fā)。
乙烯是重要的化工原料，代表了一個(gè)國家的石化工業(yè)水平。工業(yè)制取乙烯的過程中會(huì)產(chǎn)生0.5%~3%乙炔。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。雖然傳統(tǒng)熱催化乙炔半加氫過程可以將乙炔雜質(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，在乙烯純化方面，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程競爭的潛力。但目前研究的高乙炔電化學(xué)活性銅基催化劑仍面臨析氫等副反應(yīng)的競爭，除雜效果不理想。基于此，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了配位不飽和銅納米點(diǎn)催化劑，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)生產(chǎn)聚合級乙烯，在此過程中乙炔濃度低于百萬分之一，同時(shí)具有優(yōu)異的長期穩(wěn)定性。
研究人員通過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)催化劑對乙烯的法拉第效率均超過90%，并在-350毫安/平方厘米的電流密度下達(dá)到最高值95.6%。通過原位電化學(xué)微分質(zhì)譜發(fā)現(xiàn)，配位不飽和銅納米點(diǎn)催化劑具有更高的產(chǎn)乙烯起始正電位。
此外，研究人員還設(shè)計(jì)了一種膜電極反應(yīng)器用于持續(xù)制備聚合級乙烯。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/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，當(dāng)流速大于20毫升/分鐘時(shí)，乙烯的選擇性保持在90%以上;當(dāng)流速為50毫升/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/分鐘的流速下，連續(xù)純化粗乙烯合成聚合級乙烯130小時(shí)，剩余乙炔低于百萬分之一，并且全池性能幾乎沒有衰減。
