屈云腾/冷坤岳/郑黎荣Nature子刊：H在F改性Cu上定位转移，实现高效电催化乙炔制乙烯

乙烯(C₂H₄)是合成聚乙烯的主要原料，每年消耗量巨大。目前工业规模的C₂H₄生产仍以石油裂解为主，同时能耗较高。最近，煤制乙炔加热半氢化(SAE)被认为是一种有前景的C₂H₄生产途径。然而，SAE过程受到过量氢气消耗、高反应温度和压力的影响。此外，为了满足聚合级乙烯中乙炔含量的严格要求(不超过5 ppm)，可能需要额外的乙炔去除步骤。由可再生电力驱动的电催化SAE(ESAE)为直接将乙炔转化为聚合级C₂H₄提供了一种可持续的替代途径。

ESAE工艺采用水(H₂O)作为氢源，避免了H₂的消耗。然而，工业级电流密度下严重的析氢反应(HER)极大地限制了C₂H₄的法拉第效率(FE)和单程产率。在这种情况下，乙炔完全转化为乙烯需要较大的循环比，从而大大增加了生产成本。因此，迫切需要合理设计和制备能够抑制HER并在工业级电流密度下高效生产乙烯的催化剂。

近日，西北大学屈云腾、冷坤岳和中国科学院高能物理研究所郑黎荣等通过原位电还原方法制备了卤素掺杂的Cu催化剂(卤素原子通过卤素-Cu键吸附在Cu(111)面)，以实现高效的ESAE过程。

实验结果表明，最优的Cu-F催化剂在−1.5 V_RHE下，电流密度达到1 A cm^-2；在−0.5~−1.3 V_RHE的宽电位范围内，C₂H₄的法拉第效率超过90%。此外，Cu-F催化剂在200 mA cm^-2电流密度下连续运行43小时而没有发生明显的活性衰减，并且反应后材料的形貌和结构未发生改变，显示出Cu-F稳健的长期稳定性。

原位光谱和理论计算表明，F原子的存在增强了相邻Cu位点(Cu^δ+)的水解离能力，这促进了活性氢物种的产生；随后活性氢物种立即转移到Cu⁰位点(远离F原子)并与局部吸附的乙炔反应，从而抑制了HER，提高了乙炔半加氢的整体性能。

此外，在串联流动池装置中，Cu-F催化剂几乎完全将乙炔转化为乙烯，并且表现出优异的稳定性，突出了其将乙炔直接电还原为聚合级乙烯的巨大潜力。总的来说，该项研究为乙烯及其他重要工业原料的大规模电合成催化剂的合理设计提供了参考范例。

Efficient industrial-current-density acetylene to polymer-grade ethylene via hydrogen-localization transfer over fluorine-modified copper. Nature Communications, 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-44171-5

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屈云腾/冷坤岳/郑黎荣Nature子刊：H在F改性Cu上定位转移，实现高效电催化乙炔制乙烯

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