Новая конструкция катализатора электрокаталитического полугидрирования ацетилена

31 мая 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

корректура

Университетом науки и технологий Китая

Недавно исследовательская группа профессора Цзэн Цзе из Хэфэйского национального исследовательского центра физических наук при Микромасштабе и Университета науки и технологий Китая (USTC) в сотрудничестве с профессором Ся Чуанем и командой исследователя Чжэн Тинтин из Университета электронных наук и технологий из Китая разработали недокоординированный катализатор наноточек меди для достижения полугидрирования ацетилена с высокой собственной активностью и эффективностью. Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.

Этилен является важным материалом в химической промышленности. Обычно в процессе промышленного производства этилена (C2H4) неизбежно образуется 0,5–3% побочного продукта ацетилена (C2H2), который необратимо отравляет катализаторы Циглера-Натта, что приводит к снижению активности.

Поэтому важно удалять примеси C2H2 при производстве этилена. Традиционное термокаталитическое полугидрирование C2H2 требует высокой температуры, высокого давления и дорогого катализатора на основе палладия, что ограничивает его дальнейшее развитие.

Снижение стоимости электроэнергии стимулировало разработку электрокаталитического полугидрирования ацетилена (EASH) с использованием катализаторов на основе меди в качестве альтернативы. Однако предыдущие катализаторы на основе меди все еще страдают от побочных реакций, что приводит к неудовлетворительной очистке.

Чтобы решить эту проблему, команда сначала синтезировала недостаточно скоординированные наноточки меди (Cu ND) в качестве катализаторов путем восстановления in situ. При тестировании на активность в потоке чистого ацетилена недокоординированные Cu ND достигли фарадеевского КПД более 90% в широком диапазоне плотности тока, достигнув пика 95,6% при плотности тока -350 мА·см-2. Кроме того, спектроскопия in situ выявила более низкий энергетический барьер для недокоординированных катализаторов Cu ND.

Мембранно-электродные реакторы (МЭА) обладают преимуществами низкого сопротивления, низкого энергопотребления и компактной конфигурации. Поэтому команда разработала двухэлектродный реактор типа МЭА для непрерывного получения C2H4 полимерного качества.

В тесте по оценке производительности реактор МЭА площадью 25 см2 мог полностью преобразовать 0,5% C2H2 в C2H4 при различных скоростях потока от 10 до 50 стандартных кубических сантиметров в минуту (сксм). С увеличением скорости потока селективность по C2H4 имела тенденцию к росту. Команде удалось непрерывно синтезировать C2H4 полимерного качества в течение 130 часов при скорости потока 50 см3 с незначительным снижением производительности (остаточный C2H2 менее 1 части на миллион, напряжение ячейки поддерживается на уровне -1,89 В).

Эта работа позволила реализовать высокоэффективный EASH для производства этилена полимерного качества посредством разработки катализатора, изучения механизма реакции и проектирования реактора, что открыло перспективы для будущего развития электрокаталитической очистки этилена.

Больше информации: Вейцин Сюэ и др., Электросинтез этилена полимерного качества посредством полугидрирования ацетилена с использованием недостаточно скоординированных наноточек меди, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-37821-1

Информация журнала:Природные коммуникации

Предоставлено Университетом науки и технологий Китая.