近日，天津大学张兵教授团队在“煤衍生的乙炔”电催化半氢化制备乙烯研究方面取得进展。
传统乙烯生产过程中存在对石油依赖性高、能耗高、碳排放高等问题。基于我国“富煤”的资源禀赋，发展以煤为碳源、以水为氢源，利用“煤衍生的乙炔”电催化半氢化制备乙烯策略符合我国国情。但目前该策略受限于严重的析氢竞争以及乙烯过氢化副反应，可盈利目标尚不明确，制约了其发展。
研究团队通过经济技术分析设定可盈利目标，发现抑制工业级电流密度下乙烯过氢化和析氢反应的竞争是实现盈利的关键点。基于此，研究团队进行了催化剂的精准设计，选用具有弱乙烯吸附的铜催化剂来抑制过氢化的竞争，进而提升乙烯选择性。研究团队还借助理论计算，证实富不饱和位点的纳米铜不仅能够促进水的活化，还可以增大析氢反应的能垒，从而提高乙烯的法拉第效率。
纳米铜气体扩散电极是理想的电极材料，但其制备过程受到基底疏水性的限制。研究团队创新发展限域溶解、界面生长策略，以硝酸铜在疏水电极与碱性电解液界面处缓慢溶解所形成的氢氧化铜为铜源，通过电沉积的方式制备了自支撑的纳米铜气体扩散电极。
采用纳米铜气体扩散电极，研究团队在0.5安培/平方厘米的工业级电流密度下，实现了近100%法拉第效率和选择性的乙烯合成，以及长达54小时的电极循环稳定性。该策略在较宽电位范围内生成乙烯的法拉第效率均接近100%，可直接在具有波动性特征的太阳能等可再生能源电力下工作。此外，全生命周期的碳排放分析结果表明，该策略具有良好的碳减排潜力。
该研究不仅为高收率、高选择性的乙烯生产提供了高效、可持续的方法，还为以水为氢源的电催化转移氢化催化剂的设计与合成提供了范例。
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