Edward H. Sargent教授再發Nature Catalysis:級聯CO電還原—熱催化，選擇性合成丁烷

一、 【導讀】?

控制人為溫室氣體排放是應對全球氣候變化的重要手段。CO₂電催化還原（eCO₂RR）為CO₂減排和可再生能源轉化為高附加值燃料及精細化學品提供了可行的途徑。以C4碳氫化合物為例，其工業生產通依賴于催化重整、原油蒸餾和低聚過程，這些過程需要在高溫（200-300?^oC）高壓（1-3 MPa）下進行。每生產一噸C4，就會排放兩噸CO₂。相比之下，CO₂電還原方法生產C4可以實現CO₂的有效利用和碳排放的降低。然而，目前CO₂電還原制C4的生產效率較低，法拉第效率低于5%，電流密度小于3 mA/cm²。此外，產品純度較低，需要添加額外的分離裝置以提高C4的純度。因此，如何在不經過分離的情況下制得高純度的C4產品是該技術當前面臨的挑戰。

二、【成果掠影】

近日，多倫多&西北大學Edward H. Sargent教授課題組報道了一種C1-C2-C4級聯系統，通過將C1電解槽和C₂H₄聚合反應器結合起來，在常溫常壓下選擇性合成丁烷（C₄H₁₀）。該系統中C₂H₄轉化率97%，CO單程轉化率16.5%，得到的C₄H₁₀濃度為30 wt%。相關的研究成果以“Selective synthesis of butane from carbon monoxide using cascade electrolysis and thermocatalysis at ambient conditions”為題發表在Nature Catalysis上。

?三、【核心創新點】

1、作者結合了電化學還原和熱催化反應器，實現了在常溫常壓下從CO選擇性合成丁烷，該級聯系統的選擇性為43%，級聯產率為24 mM h^-1。

2、CO可以提高C₂H₄的二聚選擇性，使C₄H₁₀的選擇性達到95%。作者發現，增加CO覆蓋度有利于C₂H₄二聚反應和*C_xH_y的加氫過程，同時破壞*C₄H₉中間體的穩定性，從而促進了C₄H₁₀的選擇性生成。

四、【數據概覽】

圖1? 常規途徑和級聯系統生產C4示意圖。a）原油蒸餾生產C4。b）eCO₂RR生產C4。c）電化學-熱化學級聯生產C4概念和效率定義示意圖。? Springer Nature

圖2? C₄H₁₀生成機理的研究。a）不同CO₂/C₂H₄-H₂O比例下的C4選擇性。b）不同CO/C₂H₄-H₂O比例下的C4選擇性。c）CO覆蓋度為0 ML和1/2 ML時C₂H₄與C₄H₁₀（實線）和C₄H₈（虛線）的反應能量圖。? Springer Nature

圖3? 級聯系統生產C4。a）從CO₂/CO生產C4的級聯系統示意圖。b）100 mA cm^-2時eCO₂RR和eCORR的法拉第效率和單程轉化率。 c）從CO₂/CO生產C4的二聚和級聯選擇性。d）從CO₂/CO生產C4的原料氣和產物。e）eCO₂RR和eCORR中CO，C₂H₄和H₂的比例。f）兩種級聯系統中（CO₂→C4，CO→C4）C₄H₈和C₄H₁₀的相對含量（相比C₂H₄）。? Springer Nature

圖4? eCO-to-C4級聯系統的性能。a）不同CO流量下的C₂H₄轉化率。b）不同CO流量下的級聯選擇性和CO轉化率。c）不同電流密度下的級聯選擇性和電池電位。d）40 h內C₄H₁₀的級聯選擇性和電池電位。e）新鮮催化劑和回收催化劑級聯選擇性和C₂H₄轉化率的比較。f）eCO-to-C4級聯系統的循環性能。? Springer Nature

圖5? C4生產的碳足跡和能源成本評估。a）能源成本評估。b）碳足跡評估。? Springer Nature

五、【成果啟示】

作者采用CO₂/CO電還原和C₂H₄二聚反應相結合的級聯系統，在常溫常壓下選擇性生產C4。該系統使用可再生電力驅動CO₂還原，同時降低了系統的分離成本，這為電力驅動的CO₂還原擴展到高分子量產物提供了一種新途徑。另外，從電化學反應器中提取產物并直接對其進行升級，這一概念在羰基化反應（氫甲酰化、烷氧羰化和氨基羰化）中具有潛在的應用前景。

原文詳情：https://doi.org/10.1038/s41929-023-00937-0

本文由希恩斯供稿