理化所AM：TiO2负载Cu单原子，实现低浓度乙炔电还原为乙烯并抑制析氢

炔烃的选择性催化加氢生成烯烃对于去除烯烃气体混合物中的微量炔烃杂质用于塑料制造具有重要的工业意义。然而，使用氢气进行热催化乙炔还原往往导致乙烯过度氢化为乙烷，以及产生额外的产品分离步骤。

电/光催化炔烃还原由于其在低温下的高效性能和使用水(而不是H₂)作为质子源，受到了人们的广泛关注。对于室温下电化学乙炔还原(EAR)，在铜基纳米材料上能够有效地将乙炔转化为乙烯。

然而，作为塑料制造原料的富乙烯气流中乙炔含量相对较低(0.5-2.0 vol.%)，在低乙炔/高乙烯条件下，HER副反应难以避免，这严重降低了乙炔转化为乙烯的选择性。因此，精确调控Cu基金属/载体相互作用和Cu活性位点的电子结构以在低乙炔浓度下选择性地将乙炔氢化为乙烯具有重要意义。

近日，中科院理化技术研究所张铁锐和施润等设计并合成了由TiO₂纳米板负载的CuSACs(Cu-SA/TiO₂)用于碱性条件下高效和选择性催化EAR。性能测试结果显示，在5~0.5 vol.%的乙炔气体原料下，Cu-SA/TiO₂实现了~97%的乙烯选择性，并且在反应过程中有效抑制了乙烯的过度氢化和HER。同时，Cu-SA/TiO₂在富乙烯气体混合物中表现出良好的选择性(95.7%)，乙炔转化率和TOF分别为99.8%和8.9×10^-2 s^-1。

此外，对Cu-SA/TiO₂在流动池中进行了稳定性测试，结果表明，随着电解时间的增加乙炔的转化率逐渐降低，在电解9小时后，在气体扩散层的背面观察到明显的液滴堆积，这表明催化剂已经被渗透。

实验结果和理论计算表明，Cu单原子与TiO₂载体之间的金属-载体电子强相互作用促进了Cu活性位点吸附缺电子的乙炔，削弱分子的C≡C三键，从而激活乙炔进行随后的质子化过程形成乙烯；同时抑制碱性条件下H₂O*解离产生氢气，即使在低乙炔浓度下仍能实现乙炔高选择性转化为乙烯。

综上，该项工作报道了一种基于Cu-SA/TiO₂催化剂的乙炔电还原为乙烯的方法，其不需要额外输入氢气和后续的脱氢工艺，这为优化其他电催化有机物加氢反应提供了思路。

Titania-supported Cu Single Atom Catalyst for Electrochemical Reduction of Acetylene to Ethylene at Low-Concentrations with Suppressed Hydrogen Evolution. Advanced Materials, 2023. DOI: 10.1002/adma.202303818

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