第一作者：Linsen Huang
通讯作者：郑尧教授，乔世璋教授
通讯单位：阿德莱德大学
论文DOI：10.1002/anie.202405943
电催化乙炔加氢制乙烯（E-AHE）是一种极具前景的热催化工艺替代方法，但其电流密度和效率较低。本文以碱性海水电解（ASE）后的卤水为电解质，在1.0 A cm−2的大分流密度下，E-AHE实现了71.2%的法拉第效率（FE）。机理研究表明，浓海水的阳离子促使不饱和界面水解离增强 E-AHE。通过设计了ASE 和E-AHE耦合系统用于氢气和乙烯生产，其中从 ASE 获得的海水输出直接应用于E-AHE。该系统在宽电流密度范围内提供了出色的FE和乙烯选择性，分别超过97.0%和97.5%。本工作为电催化乙炔加氢与海水电解的应用提供了新的见解。
近年来，乙炔生产成本的降低使乙炔加氢生产乙烯（AHE）成为一种乙烯制备的极具前景的方案。同时，电催化乙炔加氢制乙烯（E-AHE）相对于热催化乙炔加氢（T-AHE）具有无氢气消耗和能耗低的特点。目前，E-AHE的研究主要集中在低电流密度下工业乙烯中痕量乙炔的去除。主要是由于在大电流密度下，析氢反应（HER）和过氢化的副反应通常占主导地位。如何实现大电流密度下具有高FE和选择性的E-AHE至关重要，从机理角度来看，水解离的质子为整个E-AHE过程提供氢源。同时阳离子能有效调节水的解离。然而，浓海水（海水淡化或电解海水）中的天然溶剂化的阳离子没有得到合理的利用。迄今为止，未有报道将E-AHE应用在浓海水中。
1. 本工作通过调控水中NaCl浓度，实现了在浓海水中大电流密度下具有高FE和选择性的E-AHE。在宽电流密度范围内，乙烯FE和选择性分别为97.0%和97.5%。
2. 结合红外和拉曼分析，浓海水中阳离子促进水分解，从而增强E-AHE。通过原位红外和拉曼测试，分析乙炔加氢的中间体，构建了乙炔加氢过程。
3. 本文耦合海水电解和电催化乙炔加氢反应，以海水和乙炔为原料，实现了大电流密度下氢气和乙烯的制备。
图1在（a）淡水，（b）海水和（c）浓海水中不同电流密度下，E-AHE的产物分布。（d）不同电解质中，E-AHE的分电流密度和电压分布。（e）在0.4 A cm−2时在不同电解质中的E-AHE性能。（f）在不同电解质中，乙烯和氢气的产物形成速率。
图2（a）不同 NaCl 浓度电解液下界面水的ATR-IR。（b）不同NaCl浓度电解液中E-AHE性能和ATR-IR位移的关系。（c）在不同NaCl浓度电解液中，氢自由基的准原位EPR。（d）不同电位下的原位拉曼光谱（左）和原位ATR-IR（右）光谱。（e）E-AHE的原理示意图。
图3（a）在不同电流密度下，乙烯生成FE和工业成本分析。（b）在不同电流密度下，ED-16乙烯生成FE和工业化成本分析。（c）ED-2在宽电流密度范围内的E-AHE 性能和（d）相关的C2H2转化。（e）在不同电流密度下，ED-2乙烯生成FE和工业化成本分析。（f）在0.4 A cm−2的电流密度下，ED-2的稳定性测试。
图4（a）以海水和乙炔为原料的氢气和乙烯生产的ASE和E-AHE示意图。（b）ASE的稳定性测试。（c）浓海水中不同电流密度下乙烯的FE和PR。（d）本工作乙烯生成 FE与已报道文献对比。（e）在0.4 A cm−2电流密度下，将ASE与E-AHE耦合用于氢气和乙烯生产的稳定测试。（f）该集成系统中不同时间的NaCl浓度。（g）稳定性测试中乙烯和氢气的产量。（h）通过改变与成本有关的参数实现市场可行性的路线图。
本工作在浓海水中实现了具有高乙烯生成FE和选择性的E-AHE。浓海水中阳离子促进了水的解离，进而促进了E-AHE。在此基础上，以海水和乙炔为原料，将ASE 和E-AHE耦合用于生产氢气和乙烯。该系统使用ASE产生的浓海水，在宽工业电流密度范围内实现了超过97.5%的乙烯选择性。此外，该集成系统在大电流密度下生产氢气和乙烯时，表现出 32 小时的优异稳定性。TEA证明了该系统的经济可行性。
Huang, L.,et al. Electrocatalytic Acetylene Hydrogenation in Concentrated Seawater at Industrial Current Densities. Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202405943.
https://doi.org/10.1002/anie.202405943
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