顆粒在線訊：近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心和化學(xué)物理系教授曾杰研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合電子科技大學(xué)材料與能源學(xué)院教授夏川、研究員鄭婷婷團(tuán)隊(duì)，研發(fā)了配位不飽和銅納米點(diǎn)催化劑，實(shí)現(xiàn)了高活性電催化乙炔半加氫制乙烯并用于乙烯純化。相關(guān)研究成果以Electrosynthesis of polymer-grade ethylene via acetylene semihydrogenation over undercoordinated Cu nanodots為題，發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。

　　乙烯是重要的化工原料。通常，工業(yè)制取乙烯的過(guò)程中會(huì)不可避免地產(chǎn)生0.5%-3%乙炔。這些少量的乙炔雜質(zhì)在乙烯聚合時(shí)會(huì)不可逆地毒化齊格勒-納塔聚合催化劑，致其失活。因此，對(duì)工業(yè)乙烯進(jìn)行純化、去除乙炔雜質(zhì)顯得尤為重要。雖然傳統(tǒng)的熱催化乙炔半加氫過(guò)程可將乙炔雜質(zhì)轉(zhuǎn)化為乙烯，但高溫高壓的運(yùn)行條件、價(jià)格高昂的鈀基催化材料以及轉(zhuǎn)化率低、選擇性差等問(wèn)題限制了其進(jìn)一步發(fā)展。

　　隨著新能源發(fā)電技術(shù)的迅速發(fā)展，電力成本下降，電催化乙炔半加氫技術(shù)已具備與傳統(tǒng)能量密集型熱催化過(guò)程在乙烯純化方面競(jìng)爭(zhēng)的潛力。目前廣泛報(bào)道的高乙炔電化學(xué)活性銅基催化劑面臨著析氫等副反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致除雜效果不理想。基于此，該工作開(kāi)發(fā)了配位不飽和銅納米點(diǎn)催化劑，實(shí)現(xiàn)了在1.35×105毫升每克催化劑每小時(shí)的空速下連續(xù)生產(chǎn)聚合級(jí)乙烯（乙炔濃度低于百萬(wàn)分之一），且具有優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

　　研究運(yùn)用原位電還原的方法合成了銅納米點(diǎn)作為電化學(xué)乙炔半加氫的催化劑，并在純乙炔氣流下評(píng)估催化劑活性時(shí)發(fā)現(xiàn)，在較寬的電流密度范圍內(nèi)，配位不飽和銅納米點(diǎn)催化劑對(duì)乙烯的法拉第效率均超過(guò)90%，且在-350毫安每平方厘米的電流密度下達(dá)到最高值95.6%。隨著反應(yīng)電位的增加，乙烯偏電流密度逐漸增加，在-0.79伏（相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氫電極）時(shí)，達(dá)到峰值-452.1毫安每平方厘米。此外，原位電化學(xué)微分質(zhì)譜發(fā)現(xiàn)，配位不飽和銅納米點(diǎn)催化劑具有更正的產(chǎn)乙烯起始電位。

　　膜電極反應(yīng)器具有電阻低、能耗低、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際氣相反應(yīng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。因此，科研人員設(shè)計(jì)了一種膜電極反應(yīng)器用于持續(xù)制備聚合級(jí)乙烯。在電極面積為25平方厘米的膜電極反應(yīng)器中，在10~50標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘的不同氣體流速下，配位不飽和銅納米點(diǎn)催化劑均能將0.5%乙炔雜質(zhì)完全轉(zhuǎn)化為乙烯。此外，隨著流速的增加，乙烯的選擇性呈上升趨勢(shì)，當(dāng)流速大于20毫升每分鐘時(shí)，乙烯的選擇性保持在90%以上；當(dāng)流速為50毫升每分鐘時(shí)，乙烯的選擇性達(dá)到93.6%。研究人員在50標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘的流速下（對(duì)應(yīng)空速1.35×105毫升每克催化劑每小時(shí)）連續(xù)純化粗乙烯合成聚合級(jí)乙烯130小時(shí)，且?guī)缀鯖](méi)有性能衰減（剩余乙炔低于百萬(wàn)分之一，全池電壓保持在-1.89伏特）。

　　該工作通過(guò)催化劑的開(kāi)發(fā)、反應(yīng)機(jī)理的研究以及反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高效率乙炔除雜制備聚合級(jí)乙烯，為未來(lái)電催化乙烯純化高校催化劑的設(shè)計(jì)帶來(lái)了啟發(fā)。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目等的支持。

乙炔電還原在（a）銅納米點(diǎn)和（b）微米銅催化劑的產(chǎn)物分布，（c）兩種催化劑的電位-乙烯偏電流曲線，（d）原位電化學(xué)微分質(zhì)譜譜圖。

聚合級(jí)乙烯制備。（a）不同流速下乙炔還原產(chǎn)物選擇性及相應(yīng)的全池電位，（b）穩(wěn)定性測(cè)試。