催化剂“施魔法” 一氧化碳“华丽变身” | 科技前线
近日，中国科学院大连化学物理研究所在一氧化碳（CO）电催化转化方面获进展，为减少化石燃料消耗和二氧化碳排放量提供新路径。
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费托合成
当前乙烯等基础化学品主要通过石油裂解生产，而我国能源赋存特点是相对富煤、贫油、少气。利用煤炭气化制备的合成气，可以作为生产烯烃的原料，是一条重要的非石油路线。
首先，我们需要了解一个概念——费托合成。费托合成是一种独特的化学过程，其主要目的是将煤炭转化为一氧化碳（CO）和氢气（H2）组成的合成气，再将其转化为液态燃料以及其他有价值的化学品。
费托合成的过程就好像对合成气施以“魔法”，在催化剂的作用下，经过一系列的化学反应合成气就可以“华丽变身”为液态燃料。在“变身”的过程中，催化剂类型会直接影响产物的种类和分布。其实不止费托反应，在化学工业中，超过85%的化学反应都依赖催化剂来提高反应的速率。
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要活性还是选择性？
催化剂虽然能够提高反应的活性，但有时会降低反应的选择性，导致实验无法获得更纯净的目标产物。费托合成等传统的一氧化碳（CO）热催化转化路线就是如此。
煤炭气化制备的合成气中H2/CO比例通常小于1。这种供需不匹配在工业上通过水煤气变换反应来解决，即以牺牲一氧化碳（CO）为代价产生更多的H2，同时一氧化碳（CO）转化为二氧化碳（CO2）。
另一方面，合成气转化反应通常有20%-50%的一氧化碳（CO）转化为二氧化碳（CO2）和甲烷，增加了碳排放。
因此，亟须发展更加绿色、可持续的一氧化碳（CO）催化转化新路线。
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改良催化剂
针对上述挑战和问题，中国科学院大连化学物理研究所高敦峰研究员、汪国雄研究员、包信和院士团队提出高效催化材料耦合先进电解器件的研究思路，利用具有高密度晶界的铜催化剂和碱性膜电极电解器/电堆，实现了高效一氧化碳（CO）电解制C2+产物。在总电流密度为5A/cm2时，C2+产物法拉第效率达到87%，且无二氧化碳（CO2）和甲烷等C1产物生成，C2+产物收率达到85%。
该过程电解性能高，与热催化合成气转化相比具有更高的一氧化碳（CO）转化速率和C2+收率。而且，工况拉曼光谱和密度泛函理论计算结果表明，铜纳米颗粒催化剂上的丰富晶界位点促进了碳-碳（C-C）偶联。
接下来，该团队组装了5节100cm2的碱性膜电堆，其电解功率最高达到5.8kW。在总电流为400A时，C2+生成速率为118.9mmol/min，乙烯生成速率达到1.2L/min。该研究表明，一氧化碳（CO）电解是一氧化碳（CO）催化转化制高值C2+燃料和化学品的实用路线。
未来研究工作需要进一步增加乙烯等单一产物的选择性，以降低下游分离成本。通过优化耦合煤制合成气过程和一氧化碳（CO）电解过程，有望实现更加绿色、低碳、可持续的煤制乙烯新路线。
论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-49095-2
责任编辑：曹旸