我室能源与环境小分子催化研究组（509组）邓德会研究员、崔晓菊副研究员团队通过设计多步耦合电解装置，开发直接电解含硫化氢杂质的粗合成气制备乙烯（C2H4）新过程，为粗合成气的直接高效转化提供了新思路。
C2H4是世界上产量最大的化学产品之一，在国民经济中占有重要的地位。工业上C2H4主要通过高温裂解（800-900℃）石脑油获得，而我国能源禀赋具有“富煤贫油少气”的特点，发展以煤或天然气经合成气为原料制备乙烯的过程具有重要意义。然而，煤和天然气转化得到的合成气（CO + H2）中往往含有大量硫化氢（H2S）杂质，在传统的热催化转化过程中，H2S极易毒化催化剂，导致催化剂的失活，在使用合成气前通常需要额外的纯化过程，从而导致成本和能耗的增加。因此，发展粗合成气直接催化转化的方法前景广阔但也极具挑战。
基于电催化的CO还原过程，可在常温常压下实现CO高选择性制备乙烯。但目前已报道的工作中均以CO为原料气，尚未有直接电解粗合成气制C2H4的相关报道，主要原因是由于在电催化过程中，粗合成气中的H2S会毒化CO电还原催化剂，极大降低生成乙烯的效率。因此，亟需设计和开发新的电催化过程。
研究团队在前期电催化转化CO（Angew. Chem. Int. Ed.，2020）和H2S（Energy Environ. Sci.，2020；The Innovation，2021）的工作基础上，在本工作中，将阳极的H2S氧化反应与阴极的CO还原反应耦合，开发了多步耦合电解粗合成气转化制C2H4的新过程。团队首先将含H2S杂质的合成气通入到该电解装置中的阳极，阳极在石墨烯封装金属钴镍“铠甲催化剂”作用下，发生H2S的选择催化氧化去除反应。随后，团队将未反应的合成气通入到电催化的阴极，阴极在铜基催化剂作用下，发生CO还原制C2H4，以及H2O还原制H2反应。该过程集四重功能于一体，既去除了合成气中的H2S杂质，实现高效的C2H4制备；又增加了合成气中的H2含量，降低了电解装置的整体能耗。实验测试发现，利用该过程直接电解含有10%H2S组分的合成气时，C2H4的法拉第效率为49.7%，相比于非耦合体系，制备相同体积的C2H4所需能耗降低了46.5%。同时，合成气中的H2S杂质被完全去除，H2的含量从30%增加到了39.2%，更有利于合成气的进一步加工制备高附加值产品。
相关研究成果以“Direct electrocatalytic conversion of crude syngas to ethylene via a multi-process coupled device”为题，于近日发表在《能源与环境科学—催化》（EES Catalysis）上。该工作的第一作者是509组博士后张默。上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院B类先导专项“功能纳米系统的精准构筑原理与测量”等项目的支持。（文/图 张默）
文章链接：https://doi.org/10.1039/D3EY00005B
