7月22日從中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所傳出消息，該所研究員張鐵銳團隊在室溫乙炔還原制乙烯研究中取得進展，提出一種基于氣—固—液三相界面的新型電催化乙炔還原反應(yīng)策略，有望取代現(xiàn)有熱催化乙炔加氫技術(shù)，應(yīng)用于工業(yè)乙烯原料氣的提純過程。
據(jù)介紹，研究團隊發(fā)展的室溫乙炔電還原策略，將低濃度乙炔轉(zhuǎn)換為乙烯所需的電力成本不足乙烯市場價格的0.5%，且較傳統(tǒng)熱催化在能量與原子經(jīng)濟性等方面表現(xiàn)出突出優(yōu)勢。此外，該團隊解決了傳統(tǒng)固—液兩相電催化體系界面擴散傳質(zhì)的科學(xué)難題，乙炔還原電流密度提升60余倍，法拉第效率提高約40%，使電催化乙炔還原的多項性能測試結(jié)果達到甚至超越了傳統(tǒng)熱催化加氫系統(tǒng)報道的最高值，是電化學(xué)在未來化工業(yè)中有望取代熱化學(xué)過程的又一標志性研究例證。
張鐵銳表示，傳統(tǒng)的熱催化乙炔加氫技術(shù)通常需要在100℃以上的溫度進行，且需要引入過量氫氣，不僅易引發(fā)乙烯過度加氫，還會導(dǎo)致后續(xù)額外的氣體分離操作。因此，在更低溫度下實現(xiàn)乙炔的選擇性催化轉(zhuǎn)化，同時避免引入額外氣體雜質(zhì)，仍面臨挑戰(zhàn)。
富乙烯氣氛中低濃度乙炔的室溫選擇性轉(zhuǎn)換，有賴于催化材料及催化體系的重新設(shè)計?！拌b于此，結(jié)合在催化材料、電化學(xué)方面的研究基礎(chǔ)，課題組從材料制備、反應(yīng)器設(shè)計、參數(shù)調(diào)控等多個方面進行棋盤式搜索與測試，最終找到了銅基界面結(jié)構(gòu)催化材料、薄層氣體擴散微流體反應(yīng)器、堿性電解質(zhì)等最優(yōu)測試條件?！睆堣F銳介紹說。
據(jù)了解，研究團隊采用層狀雙金屬氫氧化物(LDH)原位轉(zhuǎn)變形成的Cu/Cu?O界面結(jié)構(gòu)納米催化材料，以水取代氫氣為質(zhì)子源，在室溫下實現(xiàn)了富乙烯氣氛中低濃度乙炔的選擇性還原，乙炔轉(zhuǎn)化率達99.9%，乙烯選擇性大于90%，并將乙炔濃度由5000ppm降至1ppm以下。該電催化乙炔還原反應(yīng)體系的各項指標(乙炔轉(zhuǎn)化率、乙烯選擇性、氫氣殘留量、反應(yīng)溫度、比活性)均達到或超過了熱催化乙炔加氫報道的最優(yōu)值。
具體來講，工業(yè)乙烯原料來源于石腦油等碳氫化合物的裂解，裂解產(chǎn)物中不可避免地含有0.5%~2.0%的乙炔雜質(zhì)。乙炔雜質(zhì)會毒化后續(xù)用于乙烯聚合反應(yīng)的齊格勒—納塔催化劑，影響聚合物產(chǎn)品質(zhì)量。因此，需要在聚合之前將乙炔雜質(zhì)的濃度降低至ppm級別。
下一步，研究團隊將對催化材料結(jié)構(gòu)與乙炔電還原活性間的關(guān)系做更深入研究，并在固態(tài)電解質(zhì)、模塊化電化學(xué)乙炔還原系統(tǒng)等方面進行研究，推進電催化炔烴加氫、乙烯提純等技術(shù)路線的商業(yè)化應(yīng)用。
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