清华大学JACS：节能且高效，多功能分子催化剂助力乙烯一步电化学转化为乙二醇

有机物电合成具有反应条件温和(环境温度和压力)和没有潜在危险的氧化剂或还原剂等特点。在众多化学品中，乙二醇(EG)是一种需求量很大的重要商品化工产品，传统的EG生产方法是通过热催化氧化制取，这种方法消耗大量的化石燃料并排放CO₂，且反应中间体环氧乙烷的处理和纯化成本很高。一步电化学C₂H₄-EG转化法提供了一个可持续的路线，但是其存在依赖于贵金属催化剂、活性低和选择性不理想等缺点，严重限制了该方法的工业应用。

近日，清华大学段昊泓和李必杰等在碳纳米管上负载酞菁钴(CoPc/CNT)，用于一步电化学C₂H₄转化为EG的反应。实验结果表明，该催化剂在常温常压下以100%的选择性和1.78 min⁻¹的周转频率生产EG，比Pd催化剂更具竞争力。

此外，研究人员对CoPc/CNT的稳定性进行了测试。在连续20小时的电解试验中，EG的平均产率和法拉第效率(FE)分别为12.2 μmol h⁻¹和21.2%，并且在反应过程中没有观察到明显的催化性能损失和CoPc聚集。

基于实验和原位光谱表征，研究人员提出CoPc/CNT在C₂H₄电化学氧化成EG过程中充当多功能催化剂：1.水活化：CoPc中的Co中心在电化学条件下被水氧化，产生高价钴氧化物；2.烯烃环氧化：类似于均相体系，由此产生的Co-oxo物种催化C₂H₄环氧化，通过氧转移过程得到吸附的EO；3.环氧化物开环：Co-oxo的Lewis酸位点激活EO向水的亲核攻击，最终形成开环产物EG。此外，电极表面高浓度的H⁺也通过H⁺介导的途径参与了开环反应。

值得注意的是，先前报道的通过氧转移过程的C₂H₄-EO转化中，使用H₂O₂在TS-1上实现C₂H₄-EO转化的转化，并且在另一种酸溶液或在另一种固体酸上完成EO向EG的转化；相比之下，CoPc独特的多功能特性使得在一个单一催化剂的反应器中实现一步电化学C₂H₄转化为EG。

One-step electrochemical ethylene-to-ethylene glycol conversion over a multitasking molecular catalyst. Journal of the American Chemical Society, 2024. DOI: 10.1021/jacs.3c14381

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