華東理工大學(xué)的電催化CO2制環(huán)氧乙烷研究獲進(jìn)展

近日，華工理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)利用CO2電催化技術(shù)高效制備環(huán)氧乙烷取得進(jìn)展，相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然·催化》雜志。

目前，環(huán)氧乙烷裝置主要采用乙烯直接氧化工藝，但該工藝原料乙烯完全氧化會(huì)產(chǎn)生大量碳排放。因此利用電催化技術(shù)在無碳排放及碳減排條件下高效制備環(huán)氧乙烷則具有環(huán)保意義。目前，電催化CO2制環(huán)氧乙烷過程效率較低，法拉第效率小于25%，整體電解池能量效率低于15%且能耗高，生產(chǎn)1 kg環(huán)氧乙烷所需能耗超過19 MJ，是當(dāng)前工業(yè)路線能耗的5倍。

該研究團(tuán)隊(duì)通過在工業(yè)催化劑氧化銥(IrO2)上負(fù)載第六周期金屬氧化物制備高效催化劑，其中負(fù)載鋇氧化物的催化劑高效抑制了關(guān)鍵中間體的降解過程，實(shí)現(xiàn)陽極乙烯制環(huán)氧乙烷法拉第效率達(dá)90%。該過程環(huán)氧乙烷產(chǎn)物選擇性超過98%，不存在乙烯完全氧化產(chǎn)生的碳排放問題。與陰極氧還原反應(yīng)配對(duì)時(shí)，生產(chǎn)1 kg環(huán)氧乙烷所需能耗僅5.3 MJ，這與現(xiàn)有高碳排放的工業(yè)制環(huán)氧乙烷過程能耗相當(dāng)。進(jìn)一步利用水氧化和氧還原這一氧化還原介導(dǎo)，構(gòu)建了新型氧化還原介導(dǎo)電催化系統(tǒng)。通過高效耦合CO2制乙烯與乙烯制環(huán)氧乙烷過程，實(shí)現(xiàn)低能量輸入的環(huán)氧乙烷電催化制備，總反應(yīng)的理論電解電壓為1.28 V，而目前文獻(xiàn)報(bào)道的最優(yōu)理論電解電壓是2.51 V。

該研究可實(shí)現(xiàn)電催化高轉(zhuǎn)化率制備環(huán)氧乙烷，在300 mA/cm2工業(yè)級(jí)電流密度下CO2制環(huán)氧乙烷的法拉第效率超過35%，比文獻(xiàn)報(bào)道的最高值提高1.4倍，并使電解工作電壓降低了1.2 V。