Edward H. Sargent教授再发Nature Catalysis:级联CO电还原—热催化,选择性合成丁烷
一、 【导读】
控制人为温室气体排放是应对全球气候变化的重要手段。CO2电催化还原(eCO2RR)为CO2减排和可再生能源转化为高附加值燃料及精细化学品提供了可行的途径。以C4碳氢化合物为例,其工业生产通依赖于催化重整、原油蒸馏和低聚过程,这些过程需要在高温(200-300 oC)高压(1-3 MPa)下进行。每生产一吨C4,就会排放两吨CO2。相比之下,CO2电还原方法生产C4可以实现CO2的有效利用和碳排放的降低。然而,目前CO2电还原制C4的生产效率较低,法拉第效率低于5%,电流密度小于3 mA/cm2。此外,产品纯度较低,需要添加额外的分离装置以提高C4的纯度。因此,如何在不经过分离的情况下制得高纯度的C4产品是该技术当前面临的挑战。
二、【成果掠影】
近日,多伦多&西北大学Edward H. Sargent教授课题组报道了一种C1-C2-C4级联系统,通过将C1电解槽和C2H4聚合反应器结合起来,在常温常压下选择性合成丁烷(C4H10)。该系统中C2H4转化率97%,CO单程转化率16.5%,得到的C4H10浓度为30 wt%。相关的研究成果以“Selective synthesis of butane from carbon monoxide using cascade electrolysis and thermocatalysis at ambient conditions”为题发表在Nature Catalysis上。
三、【核心创新点】
1、作者结合了电化学还原和热催化反应器,实现了在常温常压下从CO选择性合成丁烷,该级联系统的选择性为43%,级联产率为24 mM h-1。
2、CO可以提高C2H4的二聚选择性,使C4H10的选择性达到95%。作者发现,增加CO覆盖度有利于C2H4二聚反应和*CxHy的加氢过程,同时破坏*C4H9中间体的稳定性,从而促进了C4H10的选择性生成。
四、【数据概览】
图1 常规途径和级联系统生产C4示意图。a)原油蒸馏生产C4。b)eCO2RR生产C4。c)电化学-热化学级联生产C4概念和效率定义示意图。© Springer Nature
图2 C4H10生成机理的研究。a)不同CO2/C2H4-H2O比例下的C4选择性。b)不同CO/C2H4-H2O比例下的C4选择性。c)CO覆盖度为0 ML和1/2 ML时C2H4与C4H10(实线)和C4H8(虚线)的反应能量图。© Springer Nature
图3 级联系统生产C4。a)从CO2/CO生产C4的级联系统示意图。b)100 mA cm-2时eCO2RR和eCORR的法拉第效率和单程转化率。 c)从CO2/CO生产C4的二聚和级联选择性。d)从CO2/CO生产C4的原料气和产物。e)eCO2RR和eCORR中CO,C2H4和H2的比例。f)两种级联系统中(CO2→C4,CO→C4)C4H8和C4H10的相对含量(相比C2H4)。© Springer Nature
图4 eCO-to-C4级联系统的性能。a)不同CO流量下的C2H4转化率。b)不同CO流量下的级联选择性和CO转化率。c)不同电流密度下的级联选择性和电池电位。d)40 h内C4H10的级联选择性和电池电位。e)新鲜催化剂和回收催化剂级联选择性和C2H4转化率的比较。f)eCO-to-C4级联系统的循环性能。© Springer Nature
图5 C4生产的碳足迹和能源成本评估。a)能源成本评估。b)碳足迹评估。© Springer Nature
五、【成果启示】
作者采用CO2/CO电还原和C2H4二聚反应相结合的级联系统,在常温常压下选择性生产C4。该系统使用可再生电力驱动CO2还原,同时降低了系统的分离成本,这为电力驱动的CO2还原扩展到高分子量产物提供了一种新途径。另外,从电化学反应器中提取产物并直接对其进行升级,这一概念在羰基化反应(氢甲酰化、烷氧羰化和氨基羰化)中具有潜在的应用前景。
原文详情:https://doi.org/10.1038/s41929-023-00937-0
本文由希恩斯供稿
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