Edward H. Sargent教授再发Nature Catalysis:级联CO电还原—热催化，选择性合成丁烷

一、【导读】

控制人为温室气体排放是应对全球气候变化的重要手段。CO₂电催化还原（eCO₂RR）为CO₂减排和可再生能源转化为高附加值燃料及精细化学品提供了可行的途径。以C4碳氢化合物为例，其工业生产通依赖于催化重整、原油蒸馏和低聚过程，这些过程需要在高温（200-300^oC）高压（1-3 MPa）下进行。每生产一吨C4，就会排放两吨CO₂。相比之下，CO₂电还原方法生产C4可以实现CO₂的有效利用和碳排放的降低。然而，目前CO₂电还原制C4的生产效率较低，法拉第效率低于5%，电流密度小于3 mA/cm²。此外，产品纯度较低，需要添加额外的分离装置以提高C4的纯度。因此，如何在不经过分离的情况下制得高纯度的C4产品是该技术当前面临的挑战。

二、【成果掠影】

近日，多伦多&西北大学Edward H. Sargent教授课题组报道了一种C1-C2-C4级联系统，通过将C1电解槽和C₂H₄聚合反应器结合起来，在常温常压下选择性合成丁烷（C₄H₁₀）。该系统中C₂H₄转化率97%，CO单程转化率16.5%，得到的C₄H₁₀浓度为30 wt%。相关的研究成果以“Selective synthesis of butane from carbon monoxide using cascade electrolysis and thermocatalysis at ambient conditions”为题发表在Nature Catalysis上。

三、【核心创新点】

1、作者结合了电化学还原和热催化反应器，实现了在常温常压下从CO选择性合成丁烷，该级联系统的选择性为43%，级联产率为24 mMh^-1。

2、CO可以提高C₂H₄的二聚选择性，使C₄H₁₀的选择性达到95%。作者发现，增加CO覆盖度有利于C₂H₄二聚反应和*C_xH_y的加氢过程，同时破坏*C₄H₉中间体的稳定性，从而促进了C₄H₁₀的选择性生成。

四、【数据概览】

图1常规途径和级联系统生产C4示意图。a）原油蒸馏生产C4。b）eCO₂RR生产C4。c）电化学-热化学级联生产C4概念和效率定义示意图。©Springer Nature

图2 C₄H₁₀生成机理的研究。a）不同CO₂/C₂H₄-H₂O比例下的C4选择性。b）不同CO/C₂H₄-H₂O比例下的C4选择性。c）CO覆盖度为0 ML和1/2 ML时C₂H₄与C₄H₁₀（实线）和C₄H₈（虚线）的反应能量图。©Springer Nature

图3级联系统生产C4。a）从CO₂/CO生产C4的级联系统示意图。b）100 mAcm^-2时eCO₂RR和eCORR的法拉第效率和单程转化率。c）从CO₂/CO生产C4的二聚和级联选择性。d）从CO₂/CO生产C4的原料气和产物。e）eCO₂RR和eCORR中CO，C₂H₄和H₂的比例。f）两种级联系统中（CO₂→C4，CO→C4）C₄H₈和C₄H₁₀的相对含量（相比C₂H₄）。©Springer Nature

图4 eCO-to-C4级联系统的性能。a）不同CO流量下的C₂H₄转化率。b）不同CO流量下的级联选择性和CO转化率。c）不同电流密度下的级联选择性和电池电位。d）40 h内C₄H₁₀的级联选择性和电池电位。e）新鲜催化剂和回收催化剂级联选择性和C₂H₄转化率的比较。f）eCO-to-C4级联系统的循环性能。©Springer Nature

图5 C4生产的碳足迹和能源成本评估。a）能源成本评估。b）碳足迹评估。©Springer Nature

五、【成果启示】

作者采用CO₂/CO电还原和C₂H₄二聚反应相结合的级联系统，在常温常压下选择性生产C4。该系统使用可再生电力驱动CO₂还原，同时降低了系统的分离成本，这为电力驱动的CO₂还原扩展到高分子量产物提供了一种新途径。另外，从电化学反应器中提取产物并直接对其进行升级，这一概念在羰基化反应（氢甲酰化、烷氧羰化和氨基羰化）中具有潜在的应用前景。

原文详情：https://doi.org/10.1038/s41929-023-00937-0

本文由希恩斯供稿