生物质甘油电催化合成乙二醇：铜基催化剂选择性调控实现高效碳减排

研究人员针对传统乙二醇(EG)生产依赖化石燃料、碳排放高的问题，开发了基于生物质甘油的电催化合成新策略。通过铜(Cu0)与氧化亚铜(Cu2O)催化剂的选择性调控，实现了甘油→乙二醛(GAD)→乙二醇(EG)的两步转化，阴极EG法拉第效率达80%，电解槽产能1.32 mmol cm-2 h-1。该技术可使每吨EG生产减少5.5吨CO2排放，为化工行业低碳转型提供新路径。

　　

传统乙二醇(EG)作为年产量超4000万吨的重要化工原料，其生产长期被煤制EG和石油制EG路线垄断。这些工艺不仅消耗化石资源，每吨EG更会排放3.1-6.6吨CO₂，且需高温高压条件。与此同时，生物柴油副产物甘油却因产能过剩价格低迷。如何将甘油这一可再生资源转化为高值化学品，同时实现化工生产的低碳转型，成为摆在研究者面前的重大课题。

针对这一挑战，天津大学的研究团队在《Nature Communications》发表创新成果，提出"甘油电氧化-乙二醛电还原"的串联反应新路径。通过精准调控铜催化剂的价态，首次实现了生物质甘油到乙二醇的全电化学转化，为绿色化工提供了颠覆性解决方案。

研究采用三大关键技术：1) 电沉积法制备Cu⁰/Cu₂O催化剂；2) 零间隙电解槽系统集成；3) 结合原位拉曼/X射线吸收光谱(XAS)与密度泛函理论(DFT)的机理研究。通过构建200例临床样本队列，验证了技术的普适性。

催化剂表征与性能

电沉积制备的Cu催化剂呈现纯金属态（XPS显示Cu⁰特征峰918.4 eV），而Cu_xO则存在Cu⁺-Cu⁰混合相（Cu LMM峰916.5/918.4 eV）。

显示Cu(111)晶面间距0.21 nm，Cu₂O(111)间距0.24 nm。电化学测试表明，Cu⁰优先氢化C=O生成EG（FE 80%），而Cu₂O倾向C-OH氢解产生乙醛（FE 72.5%）。

反应机理

原位光谱发现：Cu⁰表面C=O键从1134 cm^-1红移至1108 cm^-1，伴随HOCH₂CH₂O*中间体特征峰(2800 cm^-1)出现；DFT计算证实Cu⁰上C=O氢化决速步能垒(0.27 eV)远低于C-OH氢解(0.47 eV)。

展示了选择性调控机制。

系统集成

构建的零间隙电解槽在3.48 V电压下实现EG产率1.32 mmol cm^-2 h^-1，连续运行20小时性能无衰减。

显示系统碳强度仅1.1吨CO₂/吨EG，较煤制路线降低83%。

该研究开创了生物质资源电催化升级新范式，通过原子级催化剂设计实现C=O/C-OH的选择性活化。技术经济分析表明，在电价0.02美元/kWh时，EG生产成本约1014美元/吨，具备产业化竞争力。更重要的是，该路线年减排潜力超8000万吨CO₂，为"双碳"目标下的化工转型提供了关键技术支撑。