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Catalysis
C&EN 中文版
用空气和电子制造乙烯
研究团队用二氧化碳电化学合成聚乙烯前体
by Leigh Krietsch Boerner
November 25, 2019
| A version of this story appeared in
Volume 97, Issue 46
Credit: Sargent lab
研究人员Fengwang Li手持新的电催化装置。
请访问cenm.ag/chinese或关注ACS微信订阅号获取更多《化学与化工新闻》的中文内容
为了减缓气候变化，研究人员正在寻找去除导致地球变暖的二氧化碳的方法。在此过程中获得有价值的产品，例如大宗化学品，更是双赢。多伦多大学和加利福尼亚理工学院的研究人员近日宣布，已经通过提高电化学方法从二氧化碳制备塑料前体乙烯的工艺效率，做到了这点（Nature 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1782-2）。
多伦多大学的电气工程师Edward Sargent表示，乙烯的现有市场需求巨大。然而该化合物具有较大的碳足迹，因为其制造是基于化石燃料的。Sargent说：“因此，如果我们能够制造可再生的乙烯，就可以取代化石燃料衍生的乙烯，这样我们可以消耗而不是排放二氧化碳。”
为此，Sargent及同事与加州理工的Jonas Peters和Theodor Agapie 合作。他们通过在铜催化剂表面添加新涂层来改善电化学系统。该涂层有助于碳化合物粘附在其表面上，从而促进产生乙烯的偶联反应。为了促进这种配对，它们需要一个媒人分子。研究人员在铜表面上二聚化一系列芳基吡啶，从而使碳原子之间足够紧密地配对，然后进行电化学还原反应生成乙烯。
Sargent说，由此产生的多步反应涉及大量电子转移。研究小组将二氧化碳和电解质输入系统。二氧化碳吸附到铜催化剂上，其电子将其还原为一氧化碳，然后与表面结合。二聚芳基吡啶鎓分子将一氧化碳引导到正好的位置，促进C–C偶联。通过水加入氢气后，系统产生乙烯。
与以前的尝试相比，该系统效率高，可将72％的能量输入转化为乙烯产品。该团队还以足够高的电流进行电化学合成，以吸引工业应用。Sargent说，关键是找到合适的芳基吡啶鎓化合物，将乙烯产量最大化。他说：“我们对一个相当宽泛的分子库进行了筛选。”研究人员发现，通过仔细关注不同涂层分子如何保持电荷，他们得以提高乙烯的产出。
Sargent说，在理想的条件下，反应将由可再生电力驱动，而二氧化碳来自工业排放。他说：“ 二氧化碳不仅不会进入大气层，还成为生产更有价值材料的化学原料。”
特拉华大学的化学工程师Feng Jiao表示，这项工作显示了如何通过功能化铜催化剂表面来调节反应选择性。他认为系统的效率仍有改进的空间，但他表示，看到这种反应通过中性解决方案进行是令人鼓舞的，相比采用苛刻碱性条件的早期系统有了进步（Science 2018, DOI: 10.1126/science.aas9100 ）。
本文由Nina Sun为C&EN译为中文。英文原文在此。
Chemical & Engineering News
ISSN 0009-2347
Copyright © 2024 American Chemical Society
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