近日，我所催化基礎國家重點實驗室能源與環境小分子催化研究組（509組）鄧德會研究員、崔曉菊副研究員團隊通過設計多步耦合電解裝置，開發直接電解含硫化氫雜質的粗合成氣制備乙烯（C₂H₄）新過程，為粗合成氣的直接高效轉化提供了新思路。

　　C₂H₄是世界上產量最大的化學產品之一，在國民經濟中占有重要的地位。工業上C₂H₄主要通過高溫裂解（800-900^oC）石腦油獲得，而我國能源稟賦具有“富煤貧油少氣”的特點，發展以煤或天然氣經合成氣為原料制備乙烯的過程具有重要意義。然而，煤和天然氣轉化得到的合成氣（CO + H₂）中往往含有大量硫化氫（H₂S）雜質，在傳統的熱催化轉化過程中，H₂S極易毒化催化劑，導致催化劑的失活，在使用合成氣前通常需要額外的純化過程，從而導致成本和能耗的增加。因此，發展粗合成氣直接催化轉化的方法前景廣闊但也極具挑戰。

　　基于電催化的CO還原過程，可在常溫常壓下實現CO高選擇性制備乙烯。但目前已報道的工作中均以CO為原料氣，尚未有直接電解粗合成氣制C₂H₄的相關報道，主要原因是由于在電催化過程中，粗合成氣中的H₂S會毒化CO電還原催化劑，極大降低生成乙烯的效率。因此，亟需設計和開發新的電催化過程。

　　研究團隊在前期電催化轉化CO（Angew. Chem. Int. Ed.，2020）和H₂S（Energy Environ. Sci.，2020；The Innovation，2021）的工作基礎上，在本工作中，將陽極的H₂S氧化反應與陰極的CO還原反應耦合，開發了多步耦合電解粗合成氣轉化制C₂H₄的新過程。團隊首先將含H₂S雜質的合成氣通入到該電解裝置中的陽極，陽極在石墨烯封裝金屬鈷鎳“鎧甲催化劑”作用下，發生H₂S的選擇催化氧化去除反應。隨后，團隊將未反應的合成氣通入到電催化的陰極，陰極在銅基催化劑作用下，發生CO還原制C₂H₄，以及H₂O還原制H₂反應。該過程集四重功能于一體，既去除了合成氣中的H₂S雜質，實現高效的C₂H₄制備；又增加了合成氣中的H₂含量，降低了電解裝置的整體能耗。實驗測試發現，利用該過程直接電解含有10%H₂S組分的合成氣時，C₂H₄的法拉第效率為49.7%，相比于非耦合體系，制備相同體積的C₂H₄所需能耗降低了46.5%。同時，合成氣中的H₂S雜質被完全去除，H₂的含量從30%增加到了39.2%，更有利于合成氣的進一步加工制備高附加值產品。

　　相關研究成果以“Direct electrocatalytic conversion of crude syngas to ethylene via a multi-process coupled device”為題，于近日發表在《能源與環境科學—催化》（EES Catalysis）上。該工作的第一作者是我所509組博士后張默。上述工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院B類先導專項“功能納米系統的精準構筑原理與測量”等項目的支持。（文/圖 張默）

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1039/D3EY00005B