新加坡国立大学，Nature Catalysis
文摘
2025-01-29 19:30
青海
1,3-丁二烯（1,3-BD）是合成橡胶和工程塑料制造的重要原料，广泛应用于汽车轮胎、鞋类、地板和其他橡胶制品的生产。传统上，1,3-BD作为副产品在石脑油蒸汽裂解过程中生成，这一过程不仅能源密集，还会产生大量的二氧化碳排放。尽管1,3-BD也可以通过乙烷的脱氢、丁烷的氧化脱氢或乙醇的脱氢和缩合反应等方法合成，但这些方法同样需要高温高压条件，且能效低，面临着较大的能源消耗和环境压力。因此，寻找一种更为可持续和高效的合成1,3-BD的替代方法，成为了化学工业中的一大挑战。鉴于此，来自新加坡国立大学（National University of Singapore）Wei Jie Teh，Boon Siang Yeo等课题组的研究人员在1,3-BD的电化学还原合成领域取得了新进展。该团队通过设计和制备一种基于铜催化剂的新型电化学反应系统，成功实现了乙炔（C2H2）电还原生成1,3-BD，并且通过调控电解质中的碘化钾（KI）来优化反应过程。在该方法中，研究人员使用了铜氧化物纳米立方体衍生的催化剂，成功创建了Cuδ+–Cu0活性位点，这些位点有助于促进乙炔分子吸附和还原，显著提高了1,3-BD的生成效率。实验结果显示，在−0.85 V相对于标准氢电极（SHE）的电位下，1,3-BD的法拉第效率达到了93%，在−1.0 V相对于SHE时，部分电流密度为−75 mA cm−2。这一成果远高于传统电化学方法中1,3-BD的生成效率。此外，通过密度泛函理论（DFT）计算，研究团队发现碘离子能够有效地保持铜的部分氧化状态，并促进乙炔分子与铜位点的有利结合，从而推动了1,3-BD的生成。这一研究不仅为电化学合成1,3-BD提供了新的思路，也为电化学还原反应的催化剂设计提供了有价值的理论依据，具有重要的科学意义和应用前景。
