Nuovo design del catalizzatore per la semiidrogenazione elettrocatalitica dell'acetilene

31 maggio 2023

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dall’Università della Scienza e della Tecnologia della Cina

Recentemente, il gruppo di ricerca del Prof. Zeng Jie del Centro nazionale di ricerca per le scienze fisiche di Hefei presso la Microscala e l'Università di Scienza e Tecnologia della Cina (USTC), in collaborazione con il Prof. Xia Chuan e il team del ricercatore Zheng Tingting dell'Università di Scienze e tecnologie elettroniche della Cina, hanno sviluppato un catalizzatore di nanodot di Cu sottocoordinato per ottenere la semiidrogenazione dell'acetilene con elevata attività ed efficienza intrinseca. La ricerca è stata pubblicata su Nature Communications.

L'etilene è un materiale importante nell'industria chimica. Normalmente, il processo di produzione industriale dell'etilene (C2H4) produce inevitabilmente lo 0,5%-3% di sottoprodotto di acetilene (C2H2) che avvelena irreversibilmente i catalizzatori Ziegler-Natta, determinando un calo dell'attività.

Pertanto, è importante rimuovere le impurità C2H2 nella produzione di etilene. La tradizionale semiidrogenazione termocatalitica di C2H2 richiede un catalizzatore a base di palladio ad alta temperatura, alta pressione e costoso, che ne limitano l'ulteriore sviluppo.

La diminuzione del costo dell'elettricità ha motivato lo sviluppo della semiidrogenazione elettrocatalitica dell'acetilene (EASH) utilizzando catalizzatori a base di Cu come alternativa. Tuttavia, i precedenti catalizzatori a base di Cu soffrono ancora di reazioni collaterali, che si traducono in una purificazione insoddisfacente.

Per risolvere questo problema, il team ha innanzitutto sintetizzato nanodot di Cu (ND di Cu) sottocoordinati come catalizzatori mediante riduzione in situ. Quando sono stati testati per l'attività sotto flusso di acetilene puro, i ND Cu sottocoordinati hanno raggiunto un'efficienza faradaica superiore al 90% in un ampio intervallo di densità di corrente, raggiungendo un picco del 95,6% a una densità di corrente di -350 mA·cm-2. Inoltre, la spettroscopia in situ ha rivelato una barriera energetica inferiore per i catalizzatori ND di Cu sottocoordinati.

I reattori con gruppo elettrodo a membrana (MEA) presentano i vantaggi di bassa resistenza, basso consumo energetico e configurazione compatta. Pertanto, il team ha progettato un reattore a due elettrodi di tipo MEA per la generazione continua di C2H4 di grado polimerico.

Nel test di valutazione delle prestazioni, un reattore MEA da 25 cm2 potrebbe convertire completamente lo 0,5% di C2H2 in C2H4 a diverse portate da 10 a 50 centimetri cubi standard al minuto (sccm). Con l'aumento della portata, la selettività di C2H4 ha mostrato un trend crescente. Il team è riuscito a sintetizzare continuamente C2H4 di grado polimerico per 130 ore con una portata di 50 sccm con un decadimento delle prestazioni trascurabile (C2H2 residuo inferiore a 1 parte per milione, tensione della cella mantenuta a -1,89 V).

Questo lavoro ha realizzato EASH altamente efficiente per produrre etilene di grado polimerico attraverso lo sviluppo del catalizzatore, lo studio del meccanismo di reazione e la progettazione del reattore, fornendo prospettive per lo sviluppo futuro della purificazione elettrocatalitica dell'etilene.

Maggiori informazioni: Weiqing Xue et al, Elettrosintesi dell'etilene di grado polimerico tramite semiidrogenazione dell'acetilene su nanodoti di Cu sottocoordinati, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-37821-1

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Fornito dall'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina