10月18日，我院游波、夏寶玉教授的最新合作研究成果“Bromine-Enhanced Generation and Epoxidation of Ethylene in Tandem CO₂ Electrolysis toward Ethylene Oxide”在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angew. Chem. Int. Ed.）正式刊發(fā)。該策略將由CO₂電還原（CO₂R）產(chǎn)生的乙烯（C₂H₄）間接電環(huán)氧化為環(huán)氧乙烷（EO），為CO₂增值轉(zhuǎn)化提供了巨大的前景（圖1）。

C₂H₄選擇性部分氧化為EO是現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中的一個(gè)重要反應(yīng)，因?yàn)?/span>EO是合成乙二醇、乙二醇醚、環(huán)氧樹(shù)脂等多種商業(yè)化學(xué)品的重要前驅(qū)體。傳統(tǒng)的EO合成是以Ag為催化劑、O₂為氧化劑，在高溫高壓條件下直接氧化得到。制備1噸EO排放1.9噸CO₂，且為了避免過(guò)氧化和緩解易燃性問(wèn)題，該工藝保持在約10%的低單程轉(zhuǎn)化率。相比之下，由可再生能源提供動(dòng)力的電化學(xué)氯醇工藝代表了一種更具吸引力的替代方案。然而，在C₂H₄環(huán)氧化過(guò)程中存在活性物質(zhì)的緩慢形成和快速解離，在CO₂還原為C₂H₄過(guò)程中存在銅基催化劑還原失活等問(wèn)題，導(dǎo)致CO₂到EO的總法拉第效率（FE）較低。因此，目前非常迫切地希望能夠穩(wěn)定Cu⁺以增強(qiáng)CO₂還原為C₂H₄的同時(shí)促進(jìn)C₂H₄氧化為EO。

圖1 CO₂串聯(lián)電合成EO示意圖

針對(duì)上述問(wèn)題，游波、夏寶玉教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種溴介導(dǎo)的雙增強(qiáng)策略（圖2），以Pt基單原子 (Pt₁/NCNT)和含Br的多孔Cu₂O作為陽(yáng)極和陰極電催化劑，旨在同時(shí)促進(jìn)C₂H₄到EO和CO₂到C₂H₄的轉(zhuǎn)化，從而提高CO₂到EO的產(chǎn)生。系列物化表征以及理論計(jì)算表明，相對(duì)于傳統(tǒng)的氯介導(dǎo)路徑，Br₂/HBrO在Pt₁/NCNT催化劑上的生成更有利，有助于C₂H₄轉(zhuǎn)化為EO。同時(shí)，具有強(qiáng)親核性的Br^?有效地保護(hù)了Cu₂O中的活性Cu⁺物種，提高了CO₂到C₂H₄的轉(zhuǎn)化率。使得最終串聯(lián)系統(tǒng)中CO₂到EO總的FF高達(dá)41.1%。

圖2 溴介導(dǎo)的雙重增強(qiáng)策略示意圖及Pt₁/NCNT 和Cu₂O-Br催化劑的形貌結(jié)構(gòu)表征

我校為該工作的第一完成單位及通訊單位，游波、夏寶玉教授為論文的共同通訊作者，游波課題組2020級(jí)博士研究生薛文杰為第一作者。該研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFA1600800）、華中科技大學(xué)學(xué)術(shù)前沿青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃等資助。

論文信息：Bromine-Enhanced Generation and Epoxidation of Ethylene in Tandem CO₂ Electrolysis toward Ethylene Oxide

Wenjie Xue, Li Quan, Hongxia Liu, Bo Yu, Xinqing Chen, Bao Yu Xia*, Bo You*. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202311570.

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202311570