V 激活的膜电极组件系统电环氧化催化剂用于环氧丙烷生产：开辟绿色高效合成新路径

为解决电化学法生产环氧丙烷（PO）时选择性和活性的难题，研究人员开展了 Ag/V 催化剂集成于 “无液” 膜电极组件（MEA）反应器用于连续直接电化学环氧化丙烯（D-EOPO）生产 PO 的研究。结果表明该催化剂能提升 PO 产率，MEA 反应器可稳定生产，为 PO 生产提供新方向。

　　环氧丙烷（Propylene Oxide，PO）作为一种至关重要的工业化学品，广泛应用于聚氨酯、丙二醇以及非离子表面活性剂等的制造过程中。然而，传统 PO 生产方法依赖强氧化剂，如过氧化氢和氯，这不仅存在安全风险，还会产生大量具有腐蚀性且危害环境的副产物。近年来，电化学氧化丙烯（Electrochemical Oxidation of Propylene，EOPO）成为一种颇具前景的替代方法，它以水为氧化剂来源，可在温和条件下合成 PO。但目前该方法面临诸多挑战，例如在无氯电解液中的直接电化学环氧化丙烯（D-EOPO）存在副反应，丙烯易过度氧化为丙烯酸甚至二氧化碳，而且丙烯在水中溶解度差，影响传质，导致析氧反应竞争加剧。为了攻克这些难题，中国大学的研究人员开展了相关研究，旨在提升 D-EOPO 的选择性和活性，实现 PO 的高效、可持续生产。相关研究成果发表在《Nature Communications》上。
研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：一是通过共沉淀法制备多种催化剂，如 Ag - O、Ag - V - O、Ag₄V₂O₇和 Ag₃VO₄等，并将其制成电极；二是采用多种表征技术，包括扫描电子显微镜（SEM）、X 射线衍射（XRD）、X 射线光电子能谱（XPS）等对催化剂结构进行分析；三是利用电化学工作站进行线性扫描伏安法（LSV）、电化学阻抗谱（EIS）等电化学测试；四是借助原位拉曼光谱、原位衰减全反射表面增强红外吸收光谱（ATR - SEIRAS）等原位光谱技术研究反应过程；五是运用密度泛函理论（DFT）进行计算分析。
研究结果如下：

• Ag - V - O/GDL 催化剂的表征：通过共沉淀法制备了 Ag/V 电催化剂，优化的 n_V/n_Ag为 1 时性能最佳。XRD 分析显示其主要成分是 Ag₃VO₄和 Ag₄V₂O₇ 。SEM 表明其由约 1μm 的不规则微球组成，元素分布均匀。XPS 和 DFT 计算表明 V 掺杂使 Ag 的 d 带中心下移，优化了中间体吸附和脱附。EIS 测试显示 Ag - V - O/GDL 催化剂电荷转移电阻更低，电导率更高。
• 电化学性能和机理：LSV 测试表明 Ag - V - O/GDL 在催化 D-EOPO 时过电位更低、活性更高。在 3mA/cm2 下，其 PO 法拉第效率（FE）和产率均高于 Ag - O/GDL 。原位拉曼光谱证实 V 促进了 Ag - O 位点的形成，Ag₄V₂O₇是主要活性物种。
• EOPO 的反应过程：原位 ATR - SEIRAS 光谱显示，Ag - V - O/GDL 催化剂表面形成了有利于 PO 生成的中间体。DFT 计算表明，Ag - V - O/GDL 更易形成关键中间体，降低了反应能垒。
• 膜电极组件反应器中的环氧化反应：开发了 MEA 反应器用于 EOPO，优化了实验条件，包括选择 0.1M 中性 NaCl 水溶液为阴极电解液、FKB - PK - 130 膜为最佳离子交换膜等。在优化条件下，Ag - V - O/GDL 催化剂在 MEA 反应器中 PO 产率可达 227μmol/h ，FE 为 30.4% ，且稳定性良好，优于 H 型电池和流动池。
  研究结论和讨论部分指出，该研究成功将 V 激活的 Ag - V - O/GDL 双金属氧化物催化剂集成到 MEA 系统中，实现了无氯条件下 D-EOPO 连续生产 PO。V 的引入加速了 Ag - O 的形成，降低了 * O 生成能垒，促进了关键中间体的形成，提升了 D-EOPO 效率。Ag - V - O/GDL 催化剂电导率更高，降低了能耗。该研究为电催化丙烯环氧化的催化剂和反应器设计提供了新的思路，未来研究可聚焦于进一步优化催化剂和装置结构，以提高转化率和选择性。这一成果在化工生产领域具有重要意义，有望推动环氧丙烷生产向绿色、高效的方向发展，减少传统生产方法带来的安全隐患和环境污染问题，为相关产业的可持续发展提供有力支持。