近日，天津大学理学院张兵教授团队在基于煤衍生的乙炔电催化半氢化制备乙烯研究方面取得进展。研究成果以天津大学理学院为第一通讯单位，以“Economically viable electrocatalytic ethylene production with high yield and selectivity”为题，发表于Nature Sustainability期刊上（图1）。该论文共同第一作者包括：天津大学理学院助理研究员赵博航，2019级硕士生陈凡芃和2020级硕士生王梦珂，通讯作者为天津大学理学院张兵教授。
乙烯工业是石油化工产业的核心，乙烯产量是衡量一个国家化工发展水平的重要指标之一。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、通过“煤衍生的乙炔”电催化半氢化制备乙烯策略符合我国国情，有望实现煤的绿色资源化利用，服务“双碳”发展目标。但目前该策略受限于严重的析氢竞争，经济技术分析方面证据的缺失也使得该策略的可盈利目标尚不明确。
为进一步促进该策略的实际应用，张兵教授团队首先通过经济技术分析设定可盈利目标，并揭示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。经济技术分析表明，只有当电流密度大于0.2 A cm−1，且法拉第效率大于85%时，该策略才具备盈利的可能性（图2a）。基于此，团队进行了催化剂的精准设计：（1）选用具有弱乙烯吸附的Cu催化剂来抑制过氢化的竞争，提升乙烯选择性；（2）通过理论计算证实小尺寸的铜不仅能够促进水的活化，而且还可以增大析氢反应的能垒（图2b），从而提高乙烯的法拉第效率。
传统滴涂型电极材料在工业级电流密度下工作较易脱落，自支撑的纳米铜气体扩散电极是更加理想的电极材料，但其制备过程易受基底疏水性的限制。研究团队创新发展了限域溶解、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，通过电沉积的方式成功制备3-5 nm铜负载气体扩散电极（图3）。
该电极可实现在0.5 A cm-2的工业级电流密度下，97.7%的乙烯法拉第效率和近100%的乙烯选择性以及长达54 h的电极稳定性（图4a）。梯度稳定性测试进一步证实了该电极可在宽电位范围内保持乙烯的高选择性制备（图4b, c），适用于具有波动性特征的可再生能源电力驱动。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（图5）。
该研究不仅为高收率、高选择性的乙烯生产建立了绿色、可持续的补充方式，而且为抑制以水为氢源的电催化转移氢化过程中的析氢竞争提供了范例。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41893-023-01084-x。
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