邓德会课题组《德国应用化学》：高选择性电还原一氧化碳直接制乙烯取得进展

chajin

近日，iChEM研究人员、现在我院工作的邓德会研究员带领的研究团队成功实现一氧化碳电催化高选择性直接制备乙烯，相关结果“Highly Selective Production of Ethylene by Electroreduction of Carbon Monoxide”发表于《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed., DOI:10.1002/anie.201910662），并被该期刊选为热点文章“Hot Paper”。

      乙烯是十分重要的工业原料，工业上主要采用石脑油高温裂解（800-900 oC）来制备。从有效利用化石资源的角度，通过费托合成反应（CO+H2）将一氧化碳转化生成高附加值的C2-C4烯烃一直受到广泛关注。然而，该过程除了需要高温(200-450 oC)、高压(5-50 bar)等苛刻条件之外，还由于其产物受Anderson-Schulz-Flory分布的限制，C2产物的选择性往往低于30%，并且不可避免地产生大量的CO2，造成碳资源的严重浪费。因此，发展高选择性、环境友好、条件温和的乙烯制备方法非常迫切却极具挑战。
       该团队在优化铜基催化剂的基础上，通过调节电极的疏水性来增加CO的扩散速率，有效促进了CO分子在铜基催化剂表面的C-C偶联过程。通过利用H2O作还原剂，在常温常压的温和条件下实现了CO高选择性地电催化生成乙烯，其法拉第效率高达52.7%。相比于传统费托合成，该过程完全没有CO2生成，生成乙烯的选择性在70%左右，打破了费托合成中C2产物30%的选择性限制。该团队与苏海燕研究员、张东辉院士等合作，结合DFT计算研究了反应活性位和反应过程，对比生成乙烯和乙醇的反应中间体和路径，发现Cu(100)晶面是最有利于CO电转化生成乙烯的活性位，这为后续催化剂的设计指明了方向。该工作同时为高选择性、低能耗地通过一氧化碳制备乙烯提供了新思路。
       我院2015级博士生陈瑞雪和中科院大连化物所苏海燕研究员为论文的共同第一作者。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院前沿科学重点研究项目、中科院洁净能源创新研究院合作基金、教育部能源材料化学协同创新中心（2011-iChEM）的资助。
       论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201910662


       邓德会，男，中共党员，博士，中国科学院大连化学物理研究所研究员，中科院大连化物所“百人计划”，张大煜青年学者。2007年于四川大学获双学士学位，师从石碧院士、廖学品教授；2013年于中科院大学获博士学位，师从包信和院士、潘秀莲研究员；2013年破格入选大连化物所“百人计划”，副研究员，2015年受聘为厦门大学iChEM研究员，2015 -2016年美国斯坦福大学访问学者（合作导师：戴宏杰院士），2017年破格晋升为大连化物所研究员。
        乙烯是由两个碳原子和四个氢原子组成的化合物。两个碳原子之间以双键连接。乙烯存在于植物的某些组织、器官中，是由蛋氨酸在供氧充足的条件下转化而成的。乙烯是合成纤维、合成橡胶、合成塑料（聚乙烯及聚氯乙烯）、合成乙醇（酒精）的基本化工原料，也用于制造氯乙烯、苯乙烯、环氧乙烷、醋酸、乙醛、乙醇和炸药等，尚可用作水果和蔬菜的催熟剂，是一种已证实的植物激素。乙烯是世界上产量最大的化学产品之一，乙烯工业是石油化工产业的核心，乙烯产品占石化产品的75%以上，在国民经济中占有重要的地位。世界上已将乙烯产量作为衡量一个国家石油化工发展水平的重要标志之一。生理作用是：三重反应、促进果实成熟、促进叶片衰老、诱导不定根和根毛发生、打破植物种子和芽的休眠、抑制许多植物开花（但能诱导、促进菠萝及其同属植物开花）、在雌雄异花同株植物中可以在花发育早期改变花的性别分化方向等。2017年10月27日，世界卫生组织国际癌症研究机构公布的致癌物清单初步整理参考，乙烯在3类致癌物清单中。