科创中国

10月18日，化学与化工学院游波、夏宝玉教授的最新合作研究成果“Bromine-Enhanced Generation and Epoxidation of Ethylene in Tandem CO2Electrolysis toward Ethylene Oxide”在《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed.）刊发。该策略将由CO2电还原（CO2R）产生的乙烯（C2H4）间接电环氧化为环氧乙烷（EO），为CO2增值转化提供了巨大的前景（图1）。

C2H4选择性部分氧化为EO是现代化学工业中的一个重要反应，因为EO是合成乙二醇、乙二醇醚、环氧树脂等多种商业化学品的重要前驱体。传统的EO合成是以Ag为催化剂、O2为氧化剂，在高温高压条件下直接氧化得到。制备1吨EO排放1.9吨CO2，且为了避免过氧化和缓解易燃性问题，该工艺保持在约10%的低单程转化率。相比之下，由可再生能源提供动力的电化学氯醇工艺代表了一种更具吸引力的替代方案。然而，在C2H4环氧化过程中存在活性物质的缓慢形成和快速解离，在CO2还原为C2H4过程中存在铜基催化剂还原失活等问题，导致CO2到EO的总法拉第效率（FE）较低。因此，目前非常迫切地希望能够稳定Cu+以增强CO2还原为C2H4的同时促进C2H4氧化为EO。

图1 CO2串联电合成EO示意图

针对上述问题，游波、夏宝玉教授团队报道了一种溴介导的双增强策略（图2），以Pt基单原子 (Pt1/NCNT)和含Br的多孔Cu2O作为阳极和阴极电催化剂，旨在同时促进C2H4到EO和CO2到C2H4的转化，从而提高CO2到EO的产生。系列物化表征以及理论计算表明，相对于传统的氯介导路径，Br2/HBrO在Pt1/NCNT催化剂上的生成更有利，有助于C2H4转化为EO。同时，具有强亲核性的Br−有效地保护了Cu2O中的活性Cu+物种，提高了CO2到C2H4的转化率。使得最终串联系统中CO2到EO总的FF高达41.1%。

图2 溴介导的双重增强策略示意图及Pt1/NCNT和Cu2O-Br催化剂的形貌结构表征

我校为该工作的第一完成单位及通讯单位，游波、夏宝玉教授为论文的共同通讯作者，游波课题组2020级博士研究生薛文杰为第一作者。该研究工作得到了国家重点研发计划（2021YFA1600800）、华中科技大学学术前沿青年团队计划等资助。

论文信息：Bromine-Enhanced Generation and Epoxidation of Ethylene in Tandem CO2Electrolysis toward Ethylene Oxide

Wenjie Xue, Li Quan, Hongxia Liu, Bo Yu, Xinqing Chen, Bao Yu Xia*, Bo You*.Angew. Chem. Int. Ed.2023,62, e202311570.

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202311570

（来源：华中科技大学新闻网）