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?理化所AM：TiO2負載Cu單原子，實現(xiàn)低濃度乙炔電還原為乙烯并抑制析氫

炔烴的選擇性催化加氫生成烯烴對于去除烯烴氣體混合物中的微量炔烴雜質(zhì)用于塑料制造具有重要的工業(yè)意義。然而，使用氫氣進行熱催化乙炔還原往往導(dǎo)致乙烯過度氫化為乙烷，以及產(chǎn)生額外的產(chǎn)品分離步驟。

電/光催化炔烴還原由于其在低溫下的高效性能和使用水(而不是H₂)作為質(zhì)子源，受到了人們的廣泛關(guān)注。對于室溫下電化學(xué)乙炔還原(EAR)，在銅基納米材料上能夠有效地將乙炔轉(zhuǎn)化為乙烯。

然而，作為塑料制造原料的富乙烯氣流中乙炔含量相對較低(0.5-2.0 vol.%)，在低乙炔/高乙烯條件下，HER副反應(yīng)難以避免，這嚴重降低了乙炔轉(zhuǎn)化為乙烯的選擇性。因此，精確調(diào)控Cu基金屬/載體相互作用和Cu活性位點的電子結(jié)構(gòu)以在低乙炔濃度下選擇性地將乙炔氫化為乙烯具有重要意義。

近日，中科院理化技術(shù)研究所張鐵銳和施潤等設(shè)計并合成了由TiO₂納米板負載的CuSACs(Cu-SA/TiO₂)用于堿性條件下高效和選擇性催化EAR。性能測試結(jié)果顯示，在5~0.5 vol.%的乙炔氣體原料下，Cu-SA/TiO₂實現(xiàn)了~97%的乙烯選擇性，并且在反應(yīng)過程中有效抑制了乙烯的過度氫化和HER。同時，Cu-SA/TiO₂在富乙烯氣體混合物中表現(xiàn)出良好的選擇性(95.7%)，乙炔轉(zhuǎn)化率和TOF分別為99.8%和8.9×10^-2 s^-1。

此外，對Cu-SA/TiO₂在流動池中進行了穩(wěn)定性測試，結(jié)果表明，隨著電解時間的增加乙炔的轉(zhuǎn)化率逐漸降低，在電解9小時后，在氣體擴散層的背面觀察到明顯的液滴堆積，這表明催化劑已經(jīng)被滲透。

實驗結(jié)果和理論計算表明，Cu單原子與TiO₂載體之間的金屬-載體電子強相互作用促進了Cu活性位點吸附缺電子的乙炔，削弱分子的C≡C三鍵，從而激活乙炔進行隨后的質(zhì)子化過程形成乙烯；同時抑制堿性條件下H₂O*解離產(chǎn)生氫氣，即使在低乙炔濃度下仍能實現(xiàn)乙炔高選擇性轉(zhuǎn)化為乙烯。

綜上，該項工作報道了一種基于Cu-SA/TiO₂催化劑的乙炔電還原為乙烯的方法，其不需要額外輸入氫氣和后續(xù)的脫氫工藝，這為優(yōu)化其他電催化有機物加氫反應(yīng)提供了思路。

Titania-supported Cu Single Atom Catalyst for Electrochemical Reduction of Acetylene to Ethylene at Low-Concentrations with Suppressed Hydrogen Evolution. Advanced Materials, 2023. DOI: 10.1002/adma.202303818

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