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乙烯是塑料工业中重要的基础原料，广泛应用于聚乙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯等材料的生产。然而，传统的乙烯生产方法依赖于碳密集型的高温蒸汽裂解过程，这种过程对环境有较大负面影响。电化学还原二氧化碳（CO₂RR）为乙烯生产提供了一种减少碳足迹的替代途径，但由于复杂的还原路径和多电子转移过程，导致选择性和效率较低。本文提出了一种利用2-溴乙醇（Br-EO）作为介质的间接还原策略，通过电化学激活的银基催化剂，实现了高纯度乙烯的生产，并大幅降低了能耗。
成果简介
研究表明，通过在CO₂RR过程中生成2-溴乙醇（Br-EO），再进一步还原为乙烯，能够在无需分离步骤的情况下获得高纯度乙烯。优化后的氯掺杂银/碳催化剂（AC-Ag/C）在较低的电势下实现了近100%的乙烯选择性。通过间接还原路线，乙烯的平均纯度在6小时电解过程中达到98.00 ± 1.45 wt%，远高于传统直接还原CO₂生产乙烯的效率。
研究亮点
间接还原策略：利用2-溴乙醇作为CO₂还原的中间产物，避免了复杂的分离步骤，实现了高效乙烯生产。
高效的银基催化剂：AC-Ag/C催化剂表现出较低的过电势和极高的乙烯选择性，显著提高了乙烯的生产效率。
长时间稳定性：在−0.48 V的电势下，AC-Ag/C催化剂在6小时电解过程中保持了乙烯的高纯度和高选择性。
机制解析：通过原位光谱学和理论计算揭示了Br-EO在Ag基催化剂上的还原机制，发现Cl掺杂增强了Ag位点的氧亲和力，从而促进了去溴化过程。
配图精析
图1: 直接和间接电化学还原CO₂至乙烯的路线设计
图1展示了直接和间接还原CO₂至高纯度乙烯的两种电化学路线。通过间接还原Br-EO，AC-Ag/C催化剂实现了接近100%的乙烯选择性，避免了复杂的气体分离过程。
图2: AC-Ag和AC-Ag/C催化剂的结构表征
图2展示了AC-Ag和AC-Ag/C催化剂的扫描电子显微镜（SEM）图像、透射电子显微镜（TEM）图像以及X射线光电子能谱（XPS）分析，证明了Cl掺杂和纳米结构优化对催化性能的增强作用。
图3: 不同银基催化剂对Br-EO还原的电化学性能评估
图3展示了AC-Ag和AC-Ag/C催化剂在KCl溶液中对Br-EO还原的极化曲线和乙烯的Faradaic效率，证明了AC-Ag/C催化剂在所有研究电势下均表现出优异的选择性和高效的乙烯生成速率。
图4: Br-EO还原的机制分析
图4通过原位ATR-SEIRAS光谱、离子色谱分析和理论计算，揭示了Br-EO还原为乙烯的反应路径，发现去溴化是该过程中控制步骤，并展示了Cl掺杂增强了反应中间体的吸附。
图5: CO₂间接还原乙烯的整体电解性能
图5展示了在Cu/Cu₂O催化剂上进行CO₂RR后，AC-Ag/C电极在KCl电解质中进行进一步电解的乙烯产率和纯度评估，显示了通过间接路线实现的高纯度乙烯生产。
图6: Cu/Cu₂O催化剂的结构表征及其在CO₂RR中的电化学性能
图6展示了Cu/Cu₂O催化剂的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像、X射线光电子能谱（XPS）以及在不同电势下的CO₂还原产物的Faradaic效率。
展望
本研究通过开发一种间接电化学还原二氧化碳的方法，实现了高纯度乙烯的高效生产，并大幅降低了能耗。研究结果为未来CO₂还原技术的设计提供了新的视角，特别是在提升选择性和效率方面具有重要意义。
文献信息
标题: High-purity ethylene production via indirect carbon dioxide electrochemical reduction
期刊: Nature Communications
DOI: 10.1038/s41467-024-50522-7
原文链接: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50522-7
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