▲第一作者：白雷
通讯作者：屈云腾，冷坤岳，郑黎荣
通讯单位：西北大学，光子学与光子技术研究所
论文DOI：10.1038/s41467-023-44171-5
近日，西北大学光子学与光子技术研究所的冷坤岳老师、屈云腾教授等与中国科学院高能物理所的郑黎荣老师在Nature Communications 上发表题为“Efficient industrial-current-density acetylene to polymer-grade ethylene via hydrogen localization transfer over fluorine modified copper”的研究性文章。该工作利用氟改性的铜基催化剂，实现了工业电流密度下的乙炔半加氢制乙烯。乙烯分电流可达0.76 A cm-2，乙烯法拉第效率超过90%，最高单程转化率达到78.5%。在此基础上，实现了在串联flow-cell中直接将70%乙炔气直接转化为乙烯，产物中几乎检测不到乙炔残留，达到聚酯级要求。理论计算和对比实验说明，近氟端的铜强化了水解离过程，产出的活性氢迁移至远氟端铜，并于吸附的乙烯分子发生反应。
乙烯是合成聚乙烯的重要基础化学品，主要由石油工业获得。近年来，煤基乙炔半加氢为乙烯生产提供了一条非石油的新路线，但是该过程具有高氢耗和高能耗等问题。电化学乙炔半加氢（ESAE）可在常温常压下进行，以水为氢源，是更低碳环保的生产过程。若使ESAE具有经济性，该过程的法拉第效率要达到85%，且电流密度至少为0.2 A cm-2。铜基催化剂使ESAE过程中常见且高效的催化剂，但在较大电流下（大于0.1 A cm-2）会有严重的析氢反应，影响乙烯的法拉第效率。因此，在抑制析氢的同时保证催化剂具有高活性，成为材料设计的难点。（1）在工业电流密度下实现乙炔电化学半加氢制乙烯，乙烯分电流0.76 A cm-2，法拉第效率超过90%。（2）催化剂在串联反应池中将70%的乙炔直接转化为聚酯级乙烯。F修饰的Cu基催化剂，F-Cu键合使得催化剂表面同时具有零价Cu和正价铜。Cu-F具有高效的乙炔半加氢性能，电流密度，法拉第效率和乙烯生成速率均十分出色，且催化剂具有良好的稳定性。机理研究发现近氟铜与远氟铜的作用不同，并证明了局部活性氢的转移。在串联反应池中实现了70%乙炔直接制乙烯，产物中几乎检测不到乙炔残留。通过Cu(111)表面的F改性，制备了高效的乙炔电化学半加氢催化剂。该催化剂可在工业级电流密度下将乙炔转化为乙烯，且法拉第效率较高。该工作为煤基乙炔制聚酯级乙烯提供了新的设计思路。屈云腾，西北大学光子所教授，入选陕西省高层次引进人才计划，连续两年 （2022-2023）入选科睿唯安全球交叉学科（物理、化学、材料）高被引学者。致力于原子尺度材料与能源催化研究，在单原子材料可控制备、氧还原和氢能源等方面取得创新成果，如实现块体金属到单原子材料直接转变等。在Nat. Catal., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Adv. Fun. Mater., Nano. Res., Small.等期刊发表SCI收录论文50余篇，被引用3800余次， H因子26；获得发明专利授权5项。冷坤岳，西北大学光子所，教师。从事多孔材料与亚纳米金属团簇的催化性能及机理研究。在J. Catal.， J. Am. Chem. Soc.， Adv. Fun. Mater., Soc., Adv.，等期刊发表SCI收录学术论文十余篇。获得授权专利3项。
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