迈开步子，半加氢制乙烯“加速跑” | 科技前线

乙烯是重要的基础化工原料。传统的乙烯生产主要通过石油烃的蒸汽裂解工艺，依赖石油资源，且过程能耗高、碳排放大。

利用煤制乙炔，进一步耦合乙炔制乙烯成为重要的非石油路线，工艺过程更加绿色低碳。

近日，中国科学院大连化学物理研究所在煤基乙炔电催化半加氢制乙烯方面取得进展，为降低乙烯生产工艺的石油依赖和二氧化碳排放量提供了新路线。

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乙炔半加氢：介观传质之钥

乙炔电催化半加氢制乙烯技术拥有较好的应用前景，但存在反应过电位高、乙烯生成速率和选择性较低等问题。当前研究大多关注本征催化活性和原子尺度催化活性结构调控，但介观尺度上的传质效应常被忽略。

气体扩散电极是特殊的多孔电极，通常由催化剂层和气体扩散层组成。与浸没在水溶液中的传统平板电极相比，气体扩散电极降低了扩散层厚度，能够允许参与反应的气体从本体快速扩散到催化层中活性位点附近。

然而，在催化剂层中介观尺度上不同催化剂颗粒之间的传质效应，影响反应物、中间物种、产物等关键物种在活性位附近的局部浓度，进而改变电催化反应速率。

因此，调控电极催化剂层微结构、优化介观尺度传质，有望提高煤基乙炔电催化半加氢制乙烯性能。

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电极结构调控

针对上述挑战和问题，研究团队提出颗粒间传质调控策略，通过定量分析揭示了气体扩散电极催化剂层中颗粒间传质的关键作用。

通过机械混合单分散的铜立方体颗粒与导电炭黑这一方法，制备了一系列颗粒间距离可调（173nm至308nm）的模型气体扩散电极，并应用于工业级电流密度下的乙炔电催化半加氢反应。

增加铜立方体的平均颗粒间距离，可提升乙炔电催化半加氢制乙烯性能。当铜立方体电极的平均颗粒间距离增加至265nm时，在碱性膜电极电解器中，研究实现了97.4%的乙烯法拉第效率和1.5A/cm²的乙烯分电流密度，乙烯生成速率最高达44.8mL/min。

▲气体扩散电极横截面扫描电镜图像（左）和Cu-265电极乙炔电催化半加氢性能（右）

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跨尺度传质调控

电化学阻抗谱、工况拉曼光谱和有限元模拟结果显示，增加铜立方体颗粒间距离能够削弱铜纳米立方体之间扩散层的重叠。这种重叠的削弱减少了竞争性的乙炔消耗，影响了乙炔在催化活性位点附近的局部浓度。这一变化加速了乙炔的吸附和乙烯的脱附过程，共同促成了高效的乙烯电合成。

▲颗粒间距离对乙炔电催化半加氢性能影响的机制示意图

尽管乙炔电催化半加氢制乙烯的反应活性和乙烯选择性都已达工业级水平，但其能量效率仍然较低，亟需进一步降低反应过电位，从而实现更加高效、低碳的乙烯电合成工艺，形成煤经乙炔制乙烯的新路线。

未来高效电催化体系的理性设计需要充分考虑介观尺度上传质的影响，进而实现催化活性位的原子尺度结构设计、电极催化剂层中介观传质以及电解器中宏观三传一反的跨尺度关联与耦合。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/anie.202513162