近日，中國科學院大連化學物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點實驗室納米與界面催化研究中心中國科學院院士包信和、研究員汪國雄和高敦峰團隊在乙烯電催化轉(zhuǎn)化利用方面取得新進展，提出反向單原子摻雜策略，實現(xiàn)了高活性高穩(wěn)定性的乙烯電催化環(huán)氧化制環(huán)氧乙烷。
環(huán)氧乙烷是一種用途廣泛的重要化工產(chǎn)品，目前工業(yè)上主要通過較高溫度（200至260 C）和壓力（1至3MPa）下乙烯和氧氣的反應來制備，由于該反應易發(fā)生過度氧化，以及高溫高壓的反應條件，導致該過程排放出大量二氧化碳。鹵素介導的乙烯電催化環(huán)氧化反應以水為氧源，在溫和條件下進行，能有效抑制乙烯的過度氧化，是制備環(huán)氧乙烷的一條低碳路徑。然而，鹵素介導的反應環(huán)境具有強酸性、強腐蝕性、強氧化性等，對催化材料的要求極為苛刻。
大連化物所提出乙烯電催化環(huán)氧化制環(huán)氧乙烷的新策略
本工作中，團隊發(fā)展了一種單原子Ru摻雜的錳鋇礦結(jié)構(gòu)KIr4O8納米線催化劑（KIrRuO）。該催化劑用于氯介導的乙烯環(huán)氧化反應時，在優(yōu)化的反應條件下環(huán)氧乙烷的分電流密度最高為0.7A/cm2，環(huán)氧乙烷收率最高為92%，并且其催化穩(wěn)定性優(yōu)于未摻雜的KIr4O8催化劑。機理研究表明，單原子Ru通過調(diào)變其鄰近Ir位點的電子結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定了*CH2CH2OH中間體，并有利于Cl2活性物種的形成，從而促進了2-氯乙醇（環(huán)氧乙烷）的生成。該工作為利用單原子調(diào)變鄰近金屬位點的反應性提供了新思路，并拓展了碳基資源電催化轉(zhuǎn)化的反應路線。
相關(guān)研究成果以“Boosting Electrocatalytic Ethylene Epoxidation by Single Atom Modulation”為題，于近日發(fā)表在《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）上，并被選為熱點論文（Hot Paper）。該工作的共同第一作者是大連化物所博士研究生王含羽和博士后王碩。上述工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、遼寧省興遼英才計劃、大連化物所創(chuàng)新基金等項目的支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202402950
