近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點實驗室能源與環(huán)境小分子催化研究組研究員鄧德會、副研究員崔曉菊團隊通過設(shè)計多步耦合電解裝置，開發(fā)直接電解含硫化氫雜質(zhì)的粗合成氣制備乙烯（C2H4）新過程，為粗合成氣的直接高效轉(zhuǎn)化提供了新思路。
C2H4是世界上產(chǎn)量最大的化學(xué)產(chǎn)品之一，在國民經(jīng)濟中占有重要的地位。工業(yè)上C2H4主要通過高溫裂解（800-900oC）石腦油獲得，而我國能源稟賦具有“富煤貧油少氣”的特點，發(fā)展以煤或天然氣經(jīng)合成氣為原料制備乙烯的過程具有重要意義。然而，煤和天然氣轉(zhuǎn)化得到的合成氣（CO + H2）中往往含有大量硫化氫（H2S）雜質(zhì)，在傳統(tǒng)的熱催化轉(zhuǎn)化過程中，H2S極易毒化催化劑，導(dǎo)致催化劑的失活，在使用合成氣前通常需要額外的純化過程，從而導(dǎo)致成本和能耗的增加。因此，發(fā)展粗合成氣直接催化轉(zhuǎn)化的方法前景廣闊但也極具挑戰(zhàn)。
基于電催化的CO還原過程，可在常溫常壓下實現(xiàn)CO高選擇性制備乙烯。但目前已報道的工作中均以CO為原料氣，尚未有直接電解粗合成氣制C2H4的相關(guān)報道，主要原因是由于在電催化過程中，粗合成氣中的H2S會毒化CO電還原催化劑，極大降低生成乙烯的效率。因此，亟需設(shè)計和開發(fā)新的電催化過程。
大連化物所開發(fā)直接電解粗合成氣制乙烯新過程
研究團隊在前期電催化轉(zhuǎn)化CO（Angew. Chem. Int. Ed.，2020）和H2S（Energy Environ. Sci.，2020；The Innovation，2021）的工作基礎(chǔ)上，在本工作中，將陽極的H2S氧化反應(yīng)與陰極的CO還原反應(yīng)耦合，開發(fā)了多步耦合電解粗合成氣轉(zhuǎn)化制C2H4的新過程。團隊首先將含H2S雜質(zhì)的合成氣通入到該電解裝置中的陽極，陽極在石墨烯封裝金屬鈷鎳“鎧甲催化劑”作用下，發(fā)生H2S的選擇催化氧化去除反應(yīng)。隨后，團隊將未反應(yīng)的合成氣通入到電催化的陰極，陰極在銅基催化劑作用下，發(fā)生CO還原制C2H4，以及H2O還原制H2反應(yīng)。該過程集四重功能于一體，既去除了合成氣中的H2S雜質(zhì)，實現(xiàn)高效的C2H4制備；又增加了合成氣中的H2含量，降低了電解裝置的整體能耗。實驗測試發(fā)現(xiàn)，利用該過程直接電解含有10%H2S組分的合成氣時，C2H4的法拉第效率為49.7%，相比于非耦合體系，制備相同體積的C2H4所需能耗降低了46.5%。同時，合成氣中的H2S雜質(zhì)被完全去除，H2的含量從30%增加到了39.2%，更有利于合成氣的進一步加工制備高附加值產(chǎn)品。
相關(guān)研究成果以“Direct electrocatalytic conversion of crude syngas to ethylene via a multi-process coupled device”為題，于近日發(fā)表在《能源與環(huán)境科學(xué)—催化》（EES Catalysis）上。該工作的第一作者是大連化物所博士后張默。上述工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中科院B類先導(dǎo)專項“功能納米系統(tǒng)的精準構(gòu)筑原理與測量”等項目的支持。
