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Nature子刊： C2H2杂质<1 ppm！铜纳米点电催化乙炔半加氢合成聚合物级乙烯2023-06-04
电催化乙炔半氢化反应(EASH)是一种在环境条件下利用可再生电能进行乙炔半氢化反应(C2H2 + 2H2O + 2e−→C2H4 + 2OH−)的新方法。其中，EASH可以在水介质中进行，水(H2O)作为质子源(而不是过量的H2)。铜(Cu)是催化乙炔(C2H2)选择性生产C2H4的主要催化剂之一，尽管在研究人员对Cu催化剂进行修饰改性以向高效EASH方向努力，但是这些报道的Cu催化剂仍存在高过电位、转化能效低，以及未能从粗乙烯流中完全除去C2H2杂质(<1 ppm)等问题。

 

基于此，中国科学技术大学曾杰、电子科技大学夏川和郑婷婷等通过在纯C2H2气流下原位电还原碳负载的Cu2Cl(OH)3纳米颗粒，制备出低配位铜纳米点(Cu NDs)作为高效的EASH催化剂。
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性能测试结果显示，在通入纯乙炔气流的三电极流动池中，所制备的Cu NDs的起始电位为−0.15 VRHE，并且在−0.69 VRHE时乙烯法拉第效率(FEC2H4)高达95.9%；同时，当FEC2H4保持在90.4%以上时，C2H4部分电流密度为−452 mA cm−2。
此外，研究人员还通过自制的双电极MEA反应器从含有0.5%C2H2的模拟天然气中连续生产C2H4，在1.35 × 105 mL gcat−1 h−1空速下可以产生超纯的C2H4(乙炔杂质<1 ppm)；并且该反应在−50.0 mA cm−2电流密度下连续运行130小时，性能衰减可以忽略不计。
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实验结果和理论计算表明，与非缺陷Cu(111)面相比，Cu NDs上的未配位Cu位点上C2H3*和H*的形成能垒较低；同时，Cu NDs和Cu纳米微粒(Cu MPs)上的EASH具有相同的速率控制步骤(Cu NDs：110.7 mV dec−1，Cu MPs：122.3 mV dec−1)，并且Cu NDs上较低的Tafel斜率表明吸附的C2H2*加氢生成C2H3*具有更快的反应动力学，表明Cu NDs上未配位的Cu是选择性电还原C2H2生产C2H4和抑制HER的活性位点。
Electrosynthesis of Polymer-grade Ethylene via Acetylene Semihydrogenation over Undercoordinated Cu Nanodots. Nature Communications, 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-37821-1

 

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