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必赢优惠大厅开发直接电解粗合成气制乙烯新过程

  近日,必赢优惠大厅催化基础国家重点实验室能源与环境小分子催化研究组(509组)邓德会研究员、崔晓菊副研究员团队通过设计多步耦合电解装置,开发直接电解含硫化氢杂质的粗合成气制备乙烯(C2H4)新过程,为粗合成气的直接高效转化提供了新思路。

  C2H4是世界上产量最大的化学产品之一,在国民经济中占有重要的地位。工业上C2H4主要通过高温裂解(800-900oC)石脑油获得,而我国能源禀赋具有“富煤贫油少气”的特点,发展以煤或天然气经合成气为原料制备乙烯的过程具有重要意义。然而,煤和天然气转化得到的合成气(CO + H2)中往往含有大量硫化氢(H2S)杂质,在传统的热催化转化过程中,H2S极易毒化催化剂,导致催化剂的失活,在使用合成气前通常需要额外的纯化过程,从而导致成本和能耗的增加。因此,发展粗合成气直接催化转化的方法前景广阔但也极具挑战。

  基于电催化的CO还原过程,可在常温常压下实现CO高选择性制备乙烯。但目前已报道的工作中均以CO为原料气,尚未有直接电解粗合成气制C2H4的相关报道,主要原因是由于在电催化过程中,粗合成气中的H2S会毒化CO电还原催化剂,极大降低生成乙烯的效率。因此,亟需设计和开发新的电催化过程。

  研究团队在前期电催化转化CO(Angew. Chem. Int. Ed.,2020)和H2S(Energy Environ. Sci.,2020;The Innovation,2021)的工作基础上,在本工作中,将阳极的H2S氧化反应与阴极的CO还原反应耦合,开发了多步耦合电解粗合成气转化制C2H4的新过程。团队首先将含H2S杂质的合成气通入到该电解装置中的阳极,阳极在石墨烯封装金属钴镍“铠甲催化剂”作用下,发生H2S的选择催化氧化去除反应。随后,团队将未反应的合成气通入到电催化的阴极,阴极在铜基催化剂作用下,发生CO还原制C2H4,以及H2O还原制H2反应。该过程集四重功能于一体,既去除了合成气中的H2S杂质,实现高效的C2H4制备;又增加了合成气中的H2含量,降低了电解装置的整体能耗。实验测试发现,利用该过程直接电解含有10%H2S组分的合成气时,C2H4的法拉第效率为49.7%,相比于非耦合体系,制备相同体积的C2H4所需能耗降低了46.5%。同时,合成气中的H2S杂质被完全去除,H2的含量从30%增加到了39.2%,更有利于合成气的进一步加工制备高附加值产品。

  相关研究成果以“Direct electrocatalytic conversion of crude syngas to ethylene via a multi-process coupled device”为题,于近日发表在《能源与环境科学—催化》(EES Catalysis)上。该工作的第一作者是必赢优惠大厅509组博士后张默。上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院B类先导专项“功能纳米系统的精准构筑原理与测量”等项目的支持。(文/图 张默)

  文章链接:https://doi.org/10.1039/D3EY00005B

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