西北工大张健教授团队在电催化乙炔半氢化制聚合级乙烯获重大进展

近日，国际著名期刊《自然•催化》（Nature Catalysis）在线发表了西北工业大学化学与化工学院张健教授团队与多家科研单位合作完成的题为“Selective electrocatalytic semihydrogenation of acetylene impurities for the production of polymer-grade ethylene”的研究论文。

乙烯作为近现代工业中一类重要的化工原料，被广泛用于合成诸多下游聚合产品。其中，聚乙烯占总乙烯消费量的59%，是消费量最大的乙烯下游产品。然而，工业上通过蒸汽裂解生产的乙烯中一般含有0.5-3%的乙炔杂质难以分离，该杂质将导致聚合催化剂中毒失活，严重降低聚乙烯产品质量。因此，有效去除乙烯中的微量乙炔是提升下游聚乙烯质量的首要关键技术。

当前，工业领域和基础研究都聚焦于利用热催化氢化技术将乙炔杂质转化为乙烯，但该技术反应温度较高（100-250℃）、消耗过量氢气作为氢源、且依赖于贵金属Pd基催化剂。相比之下，利用可再生能源产生的电能，在常温常压下驱动电催化乙炔杂质半氢化是一种极具前景的技术路线。然而，1964年以来，由于高性能催化剂的缺失和乙炔在电解质里的极低溶解度，电催化乙炔半氢化研究进展缓慢，性能远低于热催化技术和工业中去除乙炔杂质的指标要求（<5 ppm）。

针对以上关键问题，西北工业大学化学与化工学院张健教授团队通过构建具有三相界面的电催化反应体系，基于原位合成的铜纳米枝晶催化剂，在空速高达9.6×104ml gcat-1h-1的条件下将粗乙烯中乙炔杂质浓度从10,000 ppm大幅度去除至4 ppm，实现了聚合级乙烯的连续生产。借助电化学实验、原位光谱学表征和理论模拟等手段揭示了铜基催化剂表面乙炔/乙烯吸脱附过程对其电催化性能的影响机制。同时，该电催化方法普适于丙烯中丙炔或1, 3-丁二烯中丁炔的选择性半氢化。相较于传统热催化，电催化炔烃半氢化在常温常压条件下进行，水为氢源，绿色无污染，非贵金属铜为催化剂，有效降低生产成本。结合乙炔除杂和新能源电力技术，电催化乙炔半氢化也有望成为乙烯绿色生产新技术。

图1.两种乙炔加氢过程对比情况。(a)传统热催化路线；(b)新型电催化路线。

图2.炔烃半氢化生产聚合级烯烃。(a)乙烯中乙炔浓度与电流的关系；(b)乙烯中乙炔浓度与气体流速的关系；(c)连续生产聚合级乙烯的稳定性测试；(d)丙烯中丙炔浓度与电流的关系；(e) 1,3-丁二烯中丁炔浓度与电流的关系。

2020级博士生卜军为第一作者，西北工业大学为第一单位，我校化学与化工学院张健教授为第一通讯作者，德国德累斯顿工业大学Xinliang Feng教授为共同通讯作者。该研究工作由张健教授团队、德国德累斯顿工业大学Xinliang Feng教授及西湖大学王涛教授团队合作完成。该研究得到了国家自然科学基金、陕西省自然科学基以及中央高校基本科研业务费的大力支持。同时感谢西北工业大学分析测试中心在材料表征方面的支持。

来源：西北工业大学

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41929-021-00641-x