日前，中國科學院大連化學物理研究所在一氧化碳（CO）電催化轉(zhuǎn)化方面獲進展，為減少化石燃料消耗和二氧化碳排放量提供新路徑。

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費托合成

當前乙烯等基礎(chǔ)化學品主要通過石油裂解生產(chǎn)，而我國能源賦存特點是相對富煤、貧油、少氣。利用煤炭氣化制備的合成氣，可以作為生產(chǎn)烯烴的原料，是一條重要的非石油路線。

首先，我們需要了解一個概念——費托合成。費托合成是一種獨特的化學過程，其主要目的是將煤炭轉(zhuǎn)化為一氧化碳和氫氣（H2）組成的合成氣，再將其轉(zhuǎn)化為液態(tài)燃料以及其他有價值的化學品。

費托合成的過程就好像對合成氣施以“魔法”，在催化劑的作用下，經(jīng)過一系列的化學反應(yīng)合成氣就可以“華麗變身”為液態(tài)燃料。在“變身”的過程中，催化劑類型會直接影響產(chǎn)物的種類和分布。其實不只費托反應(yīng)，在化學工業(yè)中，超過85%的化學反應(yīng)都依賴催化劑來提高反應(yīng)的速率。

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要活性還是選擇性？

催化劑雖然能夠提高反應(yīng)的活性，但有時會降低反應(yīng)的選擇性，導致實驗無法獲得更純凈的目標產(chǎn)物。費托合成等傳統(tǒng)的一氧化碳熱催化轉(zhuǎn)化路線就是如此。

煤炭氣化制備的合成氣中氫氣與一氧化碳比例通常小于1。這種供需不匹配在工業(yè)上通過水煤氣變換反應(yīng)來解決，即以犧牲一氧化碳為代價產(chǎn)生更多的氫氣，同時一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳（CO2）。

另一方面，合成氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)通常有20%~50%的一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳和甲烷，增加了碳排放。

因此，亟須發(fā)展更加綠色、可持續(xù)的一氧化碳催化轉(zhuǎn)化新路線。

一氧化碳電催化轉(zhuǎn)化路線

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改良催化劑

針對上述挑戰(zhàn)和問題，中國科學院大連化學物理研究所高敦峰研究員、汪國雄研究員、包信和院士團隊提出高效催化材料耦合先進電解器件的研究思路，利用具有高密度晶界的銅催化劑和堿性膜電極電解器/電堆，實現(xiàn)了高效一氧化碳電解制C2+產(chǎn)物。在總電流密度為5安/平方厘米時，C2+產(chǎn)物法拉第效率達到87%，且無二氧化碳和甲烷等C1產(chǎn)物生成，C2+產(chǎn)物收率達到85%。

該過程電解性能高，與熱催化合成氣轉(zhuǎn)化相比具有更高的一氧化碳轉(zhuǎn)化速率和C2+收率。而且，工況拉曼光譜和密度泛函理論計算結(jié)果表明，銅納米顆粒催化劑上的豐富晶界位點促進了碳-碳（C-C）偶聯(lián)。

接下來，該團隊組裝了5節(jié)100平方厘米的堿性膜電堆，其電解功率最高達到5.8千瓦。在總電流為400安時，C2+生成速率為118.9毫摩爾/分，乙烯生成速率達到1.2升/分。該研究表明，一氧化碳電解是一氧化碳催化轉(zhuǎn)化制高值C2+燃料和化學品的實用路線。

一氧化碳電解性能

未來研究工作需要進一步增加乙烯等單一產(chǎn)物的選擇性，以降低下游分離成本。通過優(yōu)化耦合煤制合成氣過程和一氧化碳電解過程，有望實現(xiàn)更加綠色、低碳、可持續(xù)的煤制乙烯新路線。