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?張鐵銳團(tuán)隊(duì)Angew：Cu/Zr(OH)4高選擇性電還原乙炔為乙烯

時(shí)間：2024-04-08 來源： 瀏覽：

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利用銅（Cu）基催化劑的電化學(xué)乙炔還原（EAR）是一種環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的乙烯生產(chǎn)和凈化方法，但Cu基催化劑會遇到C-C偶聯(lián)和其他副反應(yīng)引起的產(chǎn)物選擇性問題。
基于此， 中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所張鐵銳研究員等人 報(bào)道了使用二次金屬來修飾Cu基催化劑，并確定了Cd修飾特別有效。在5 vol.%的乙炔氣體中，Cd修飾的乙烯法拉第效率（FE）高達(dá)98.38%，C-C偶聯(lián)反應(yīng)得到良好抑制（在-0.5 V時(shí)，丁二烯FE為0.06%）。需注意，在長時(shí)間的穩(wěn)定性試驗(yàn)中，粗乙烯進(jìn)料的乙烯選擇性達(dá)到99.99%。
DFT計(jì)算解讀
通過DFT計(jì)算，作者研究了兩種模型在Cu表面上H 2 O解離的反應(yīng)勢壘和H*結(jié)合的吉布斯自由能（|ΔG H* |）。
Cu(200)/Cd(100)比Cu(200)表現(xiàn)出更強(qiáng)的H 2 O吸附能力，Cd修飾導(dǎo)致H 2 O解離成H*和OH*的勢壘從Cu(200)的0.99 eV降低到Cu(200)/Cd(100)的0.58 eV。
緩慢的H*結(jié)合動力學(xué)，使得Cu-Cd/Zr(OH) 4 催化劑上的HER受到抑制，因此豐富的H*可參與C 2 H 2 的半加氫反應(yīng)，從而生成更多的C 2 H 4 。
對于Cu(200)/Cd(100)和Cu(200)兩種模型，CH 2 CH 2 *途徑均優(yōu)于CH 3 CH*途徑，由于C 2 H 4 解吸的勢壘相對較小，CH 2 CH 2 *釋放C 2 H 6 的過加氫反應(yīng)受到較好的抑制。
C 2 H 2 在Cu(200)/Cd(100)上的第一個加氫步驟是EAR中的速率決定步驟，而CH 2 CH*在Cu(200)/Cd(100)上的偶聯(lián)勢壘遠(yuǎn)高于Cu(200)上的偶聯(lián)勢壘，表明其偶聯(lián)副反應(yīng)被明顯抑制。
結(jié)果表明，Cd修飾不僅優(yōu)化了Cu的電子結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了Cu表面H 2 O的解理，使得更多的H*參與到C 2 H 2 加氫反應(yīng)中，而且導(dǎo)致C-C偶聯(lián)的勢壘顯著增加，從而抑制了C 4 副產(chǎn)物的形成。
Highly selective acetylene-to-ethylene electroreduction over Cd-decorated Cu catalyst with efficiently inhibited carbon-carbon coupling. Angew. Chem. Int. Ed., 2024 , DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202400122.
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