双极乙烯电合成：从CO2和生物质废酸实现总法拉第效率超118%的碳中性路径

语 本研究针对传统乙烯生产高能耗、高碳排放的痛点，创新性地提出双极电合成策略，耦合阳极丙酸（PA）脱羧与阴极CO2还原反应，在纳米多孔Pt微球阳极和W掺杂CuOx阴极上同步生成C2H4。该系统在工业级电流密度（400 mA cm-2）下实现总法拉第效率（FEC2H4）达118.7%，并稳定运行265小时，为废弃物资源化与碳中性化工提供了新范式。

　　

乙烯（C₂H₄）作为化工产业的基石，其全球年产量超2.2亿吨，但传统石脑油裂解工艺需在300–500°C高温下运行，导致巨额能耗与CO₂排放。尽管生物乙醇制乙烯路线可降低反应温度，却面临原料成本高、生物质精炼废酸（如丙酸PA）处理难题。近年来，电催化CO₂还原为常温合成乙烯提供绿色路径，但现有系统仅阴极产乙烯，阳极副反应（如析氧）导致电子经济性低下，法拉第效率（FE_C2H4）多低于85%。若能在阳极同步将废弃羧酸转化为乙烯，实现“双极产乙烯”，将极大提升原子与电子利用效率。

针对这一挑战，华中科技大学鲍宇（Bao Yu Xia）和游波（Bo You）团队在《Nature Communications》发表研究，提出一种双极乙烯电合成系统：在纳米多孔Pt微球（np-Pt）阳极上催化PA脱羧生成C₂H₄，同时在W掺杂CuO_x（W-CuO_x）阴极上还原CO₂制乙烯。该系统在流动池中实现总FE_C2H4达118.7%，电流密度高达1000 mA cm^-2，并在400 mA cm^-2下稳定运行265小时，FE_C2H4始终高于103.4%。

研究团队通过模板电沉积法合成np-Pt阳极，并采用共沉淀-电化学重构制备W-CuO_x阴极。关键实验技术包括：扫描电镜（SEM）与高分辨透射电镜（HR-TEM）表征材料形貌；原位衰减全反射表面增强红外光谱（ATR-SEIRAS）追踪反应中间体；同步辐射X射线吸收近边结构（XANES）分析Pt价态；密度泛函理论（DFT）计算揭示界面电子结构对反应路径的调控机制。

阳极电催化剂筛选与优化

通过对比8种金属箔的PA脱羧性能，发现Pt箔在100 mA cm^-2下FE_C2H4达53.7%。进一步构建的np-Pt微球因其多孔结构（孔径~90 nm）使电化学活性面积提升3.7倍，在连续流动池中实现527.9 mA cm^-2的C₂H₄分电流密度（J_C2H4）。优化条件表明：2.0 M PA、pH=10.0±0.2时FE_C2H4最高（60.6%），过高PA浓度或碱性会因传质限制或OH^-竞争吸附降低效率。

氧化脱羧机制解析

表征发现np-Pt在反应中原位形成Pt-PtO₂界面：XRD显示Pt(111)晶面间距增大，XPS和XANES证实Pt价态升高，准原位拉曼光谱检测到α-PtO₂特征峰（567.9 cm^-1）。原位ATR-SEIRAS捕获到CH₂CH₂中间体（1442 cm^-1）及乙醇、乙醛等副产物信号。DFT计算表明，Pt-PtO₂界面引起电子从Pt向PtO₂转移（净电荷1.71 e^-），d带中心下移（从-1.82 eV至-2.55 eV），使CH₂CH₂脱附能垒降至0.11 eV，远低于Pt(111)的0.80 eV，从而通过非柯尔伯路径优先生成C₂H₄。

双极乙烯电合成性能

将np-Pt阳极与W-CuO_x阴极耦合于流动池，在4.9 V槽电压下电流密度达1000 mA cm^-2。W掺杂通过稳定Cu⁺位点促进*CO中间体吸附与C–C耦合，使阴极FE_C2H4提升至63.4%（CuO_x对照组为49.4%）。双极系统总FE_C2H4在800 mA cm^-2时达峰值118.7%，且265小时稳定性测试中未明显衰减。技术经济分析（TEA）表明，在电流密度≥200 mA cm^-2时，每吨乙烯净收益约244.3美元。

结论与展望

该工作首创的双极电合成策略将CO₂与生物质废酸同步转化为单一高值化学品，突破了传统电解系统电子经济性低的瓶颈。通过界面工程与机理阐释，为碳中和目标下电合成技术提供了新思路，可扩展至其他双电极增值反应体系。