华中科技大学夏宝玉/游波团队Angew: 电化学–化学串联催化合成环氧乙烷

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2025年8月31日，华中科技大学夏宝玉教授和游波教授团队在国际期刊《Angewandte Chemie》发表题为“Convergent Electrochemical–Chemical Tandem Catalysis Synthesis of Ethylene Oxide from CO₂ and Water at Ambient Conditions”的研究成果。该研究报道了一种简单的电化学-化学串联催化策略：在单电解槽内耦合CO₂电还原（CO₂R）生成C₂H₄和双电子水电氧化（2e^- WOR）生成H₂O₂，然后在常温条件下进行环氧化，高效地从CO₂和H₂O合成环氧乙烷（EO）。研究表明，采用W掺杂CuO_x（W-CuO_x）作为阴极用于生产C₂H₄，Cu掺杂SnO₂（Cu-SnO₂）作为阳极用于2e^- WOR，在800 mA cm^-2电流密度下分别实现了高达63.5%和75.6%的法拉第效率。将电催化生成的C₂H₄和H₂O₂与TS-1催化剂混合，在pH 4条件下，EO的产率达422.3 μmol h^-1，选择性超过98%。多种表征和理论计算揭示，Cu 掺杂到SnO₂中打破了 Sn 位点的电子结构对称性，诱导电子重新分布，从而优化了 2e^- WOR 过程中关键中间体如 *OH 的吸附和耦合，增强了2e^- WOR。本研究为可再生能源驱动的EO高效合成提供了一种可持续的策略。

背景介绍

环氧乙烷（EO）是全球产量最大的15种化学品之一，广泛用于塑料、洗涤剂、增稠剂和溶剂的生产，年产量约2000万吨。传统工艺通常在高温高压下利用Ag基催化剂对化石燃料衍生的C₂H₄进行直接热催化环氧化，但该方法不仅单程转化率较低（约10%），还伴随严重的过氧化副反应和可燃性问题，同时每生产1吨EO会排放约0.9吨CO₂，与碳中和目标背道而驰。

随着电化学技术的发展，可再生能源驱动的电催化过程为在环境条件下合成各种化学品提供了一种环保、可持续的途径。其中，CO₂电还原（CO₂R）能将CO₂转化为多种高附加值产物，为从CO₂合成EO提供了可能。此前，Sargent团队提出氯离子介导的两步串联电合成方法，但该路线依赖有毒的氯气，导致催化剂和装置稳定性下降，并产生氯化废物，同时需要额外电极材料和能量输入，显著增加了成本。尽管通过双电子氧还原反应（ORR）原位生成H₂O₂作为温和氧化剂可以避免氯气问题，但仍需两个独立电解槽及相关的配对半反应来介导两个还原半反应，并且存在氧气/空气压缩设备需求和氧气扩散电极淹没等新挑战。

图文导读

图1 a) 传统热催化工艺：在高温高压下将化石燃料衍生的C₂H₄转化为EO；b) 卤素介导的电化学串联工艺：利用两个电解槽将CO₂转化为EO；c)本研究提出的收敛电化学–化学串联工艺：在单电解槽中完成CO₂/H₂O合成EO。

图2 a) Cu-SnO₂的TEM和b) 高分辨TEM图像，b)中插图为对应的SAED图；c) Cu-SnO₂的元素分布图；d–f) SnO₂和Cu-SnO₂的高分辨XPS谱图：（d) Sn 3d，e) O 1s，f) Cu 2p）；g–h) SnO₂与Cu-SnO₂的穆斯堡尔谱图；i) 相应的QSs分布直方图。

图3 a) H型电池中SnO₂和Cu-SnO₂在不同电位下H₂O₂的部分电流密度；b) 不同电流密度下H₂O₂的法拉第效率；c) 在H型电池中，SnO2和Cu-SnO2在2.2 V vs RHE条件下2e^-  WOR的奈奎斯特图；d) 在流动电池中，SnO₂和Cu-SnO₂在不同电流密度下H₂O₂的法拉第效率；e) 已报道的各种2e^-  WOR电催化剂的H₂O₂产率比较；f) Cu-SnO₂在500 mA cm^-2下的计时电位曲线和相应H₂O₂的法拉第效率。

图4 a) SnO₂和Cu-SnO₂进行水氧化反应过程中，溶液中检测到的·OH自由基的EPR谱；b) 在含10% H₂¹⁸O的同位素标记电解液中，由H₂O₂分解产生O₂的MS谱图；SnO₂(c)和Cu-SnO₂ (d) 在不同电位下进行水氧化的原位ATR-SEIR谱图；SnO₂(110) (e)和Cu-SnO₂(110) (f)上*OH中间体吸附的差分电荷密度与Bader电荷；g–h) SnO2(110) (g)和Cu-SnO2(110) (h)的2e^- WOR和OER的吉布斯自由能图；i) 有无碳酸盐存在下SnO₂(110)与Cu-SnO₂(110)速率决定步的吉布斯自由能图。

图5 a) 双电极流动电池示意图：阴极生成C₂H₄，阳极生成H₂O₂；b)在流动电池三电极体系中，W-CuO_x电催化剂在不同电流密度下的CO₂R产物的法拉第效率；c) 在双电极流动电池中W-CuO_x||Cu-SnO₂对的LSV曲线；d) 双电极流动电池中不同电流密度下阴极C₂H₄和阳极H₂O₂的法拉第效率；e) 双电极流动电池中不同电位下阴极C₂H₄和阳极H₂O₂的部分电流密度；f) W-CuO_x||Cu-SnO₂对在500 mA cm^-2下的稳定性测试。

图6 a) 使用单电解槽通过过收敛电化学-化学催化从CO₂/H₂O选择性合成EO或EG的示意图；b) 不同pH值和电流密度下的EO和EG生成速率；c) 不同pH值下的EO选择性；d) 收敛电化学–化学催化策略的技术经济分析（TEA）。

文献信息

Hui Jiang, Dr. Wenjie Xue, Yanteng Xiao, Prof. Li-Ming Yang, Prof. Bao Yu Xia, Prof. Bo You，Convergent Electrochemical–Chemical Tandem Catalysis Synthesis of Ethylene Oxide from CO₂ and Water at Ambient Conditions

https://doi.org/10.1002/anie.202514638

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