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乙烯工業(yè)的發(fā)展水平，是衡量一個國家石油化學(xué)工業(yè)水平的重要標(biāo)志。工業(yè)乙烯原料來源于石腦油等碳?xì)浠衔锏牧呀馄蛨?bào)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(yīng)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(jìn)行，且需要引入過量氫氣，不僅易引發(fā)乙烯過度加氫，還導(dǎo)致后續(xù)額外的氣體分離操作。在更低溫度下實(shí)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(shè)計(jì)。鑒于此，中科院理化所張鐵銳研究員與萊斯大學(xué)汪淏田教授合作報(bào)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(yīng)策略（圖1，路線2）。采用層狀雙金屬氫氧化物（LDH可燃?xì)怏w報(bào)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(shí)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(dá)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(yīng)體系的各項(xiàng)指標(biāo)（乙炔轉(zhuǎn)化率、乙烯選擇性、氫氣殘留量、反應(yīng)溫度、比活性）均達(dá)到或超過了熱催化乙炔加氫報(bào)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(jì)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(yīng)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(shí)現(xiàn)乙烯工業(yè)的碳中和目標(biāo)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(xiàng)目副研究員、王澤萍博士、趙運(yùn)宣博士，通訊作者為理化所張鐵銳研究員，萊斯大學(xué)汪淏田教授。

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