近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所副研究員宋月鋒等聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)教授汪國雄團(tuán)隊，在基于固體氧化物電解池（SOEC）的高溫電催化轉(zhuǎn)化研究中取得新進(jìn)展。合作團(tuán)隊在固體氧化物電解池中通過水蒸氣-甲烷共電解，同步制備了C2+產(chǎn)物與氫氣，提高了原子經(jīng)濟(jì)性與系統(tǒng)穩(wěn)定性，并結(jié)合多種原位表征手段，系統(tǒng)揭示了陽極甲烷氧化偶聯(lián)反應(yīng)機(jī)理。相關(guān)成果發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》。
甲烷（CH4）作為頁巖氣主要成分，是一種來源豐富、成本低廉的原料氣。將甲烷高效轉(zhuǎn)化為具有高附加值的C2+產(chǎn)物對能源利用與工業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。然而，傳統(tǒng)氧化偶聯(lián)和無氧偶聯(lián)過程分別面臨過度氧化和積碳等問題，限制其進(jìn)一步發(fā)展。因此，開發(fā)一種原子經(jīng)濟(jì)性高、穩(wěn)定性好的甲烷轉(zhuǎn)化模式具有重要的科學(xué)意義與應(yīng)用價值。
協(xié)同轉(zhuǎn)化新途徑示意圖。大連化物所供圖
本工作中，研究團(tuán)隊基于固體氧化物電解池，將陽極甲烷偶聯(lián)與陰極水蒸氣電解耦合，提出一種C2+和氫氣同步高效生產(chǎn)的新系統(tǒng)。該系統(tǒng)在127 mA cm?2的電流密度下，穩(wěn)定運行超過90小時，C2+烴類選擇性超過75%，乙烯選擇性約為40%，且未觀測到積碳。原位Raman光譜和近常壓XPS結(jié)果表明，氧離子在電壓驅(qū)動下從電解質(zhì)傳輸?shù)紸g表面生成活性電化學(xué)溢流氧物種（ESO），甲烷與ESO反應(yīng)生成甲基自由基（?CH3）。DFT結(jié)果進(jìn)一步表明，Ag表面的ESO能促進(jìn)甲烷吸附活化，降低甲烷C-H鍵斷裂能壘。同步輻射光電離質(zhì)譜結(jié)果表明，電極表面甲基自由基迅速脫附到氣相，發(fā)生氣相偶聯(lián)生成乙烷，乙烷脫氫最終生成乙烯。本工作為電化學(xué)甲烷偶聯(lián)中氣相甲基自由基的存在提供了直接實驗證據(jù)。
本研究提出了基于SOEC的水蒸氣-甲烷共電解制備C2+產(chǎn)物與氫氣的新反應(yīng)模式，為甲烷高效轉(zhuǎn)化提供了新思路。此外，本研究還詳細(xì)闡述了陽極甲烷氧化偶聯(lián)的“表面活化-氣相偶聯(lián)”反應(yīng)機(jī)制，為陽極甲烷轉(zhuǎn)化催化劑設(shè)計與反應(yīng)工程優(yōu)化提供了依據(jù)。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1002/anie.202512935
本文鏈接：研究提出高溫電催化甲烷高效協(xié)同轉(zhuǎn)化新途徑http://www.sq15.cn/show-11-26932-0.html
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