乙烯工業(yè)的發(fā)展水平，是衡量一個國家石油化學工業(yè)水平的重要標志。工業(yè)乙烯原料來源于石腦油等碳氫化合物的裂解汽油報警器，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（百萬分之一）級別，目前普遍采用的是熱催化乙炔加氫技術(shù)（圖1乙炔濃度，路線1）。然而，熱催化加氫技術(shù)通常需要在100攝氏度以上的溫度進行，且需要引入過量氫氣，不僅易引發(fā)乙烯過度加氫，還導致后續(xù)額外的氣體分離操作。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)，依然面臨巨大挑戰(zhàn)。
圖1 富乙烯氣氛乙炔選擇性轉(zhuǎn)化路線圖
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計。鑒于此，中科院理化所張鐵銳研究員與萊斯大學汪淏田教授合作報道了一種基于氣-固-液三相界面的新型電催化乙炔還原反應策略（圖1，路線2）。采用層狀雙金屬氫氧化物（LDH可燃氣體報警器，又稱水滑石）原位轉(zhuǎn)變形成的Cu/Cu2O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（C2H2+H2O→C2H4+0.5O2）乙炔濃度，乙炔轉(zhuǎn)化率達99.9%，乙烯選擇性大于90%，成功將乙炔濃度由5000 ppm降至1 ppm以下。該電催化乙炔還原反應體系的各項指標（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（圖2）。
圖2 三相電催化乙炔還原裝置照片及其與熱催化乙炔加氫性能比較
該工作中發(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)出了突出優(yōu)勢，因此有望取代現(xiàn)有熱催化乙炔加氫技術(shù)乙炔濃度，應用于工業(yè)乙烯原料氣的提純過程。相關(guān)研究結(jié)果為實現(xiàn)乙烯工業(yè)的碳中和目標指出了新的研究發(fā)展方向，于近期發(fā)表在催化領(lǐng)域著名期刊《自然●催化》上（Nat. Catal. 2021,DOI: 10.1038/s41929-021-00640-y）。文章第一作者為理化所施潤項目副研究員、王澤萍博士、趙運宣博士，通訊作者為理化所張鐵銳研究員，萊斯大學汪淏田教授。
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