乙烯作為石油化工產(chǎn)業(yè)的核心原料，主要通過石油腦蒸汽裂解獲得，這一方式面臨資源枯竭與高碳排放的雙重制約。電催化乙炔半加氫通過轉化煤基乙炔為乙烯，展現(xiàn)出經(jīng)濟環(huán)保潛力。其中，銅基催化材料通過活性位點設計提升了乙烯選擇性，然而現(xiàn)行流動池體系在高電流密度下存在內(nèi)阻高、電解液滲漏等問題，限制了其能效與規(guī)?；瘧谩ｋm然無陰極電解液的膜電極系統(tǒng)能夠突破這些限制，現(xiàn)有催化劑的性能和耐久性仍未達到實際應用要求。銅基分子催化劑具備精確結構的活性位點和分子功能，在提升膜電極系統(tǒng)電催化性能方面具有巨大潛力。然而，目前的單一活性位點催化劑難以兼顧高選擇性與低過電位，因此亟需發(fā)展一種兼具精準路徑調(diào)控、動力學協(xié)同加速和微環(huán)境優(yōu)化的雜化活性位點策略，以突破安培級電流下選擇性與能效的瓶頸，從而推動膜電極體系的實際應用。 近期，西北工業(yè)大學張寶亮教授和張蕾副教授團隊構筑了一種能夠整合開放銅活性位點與氮雜卡賓位點的銅基配位聚合物（CuBcpi-BuOK），這些雜化活性位點賦予該配位聚合物優(yōu)良的乙炔親和性、對電解液的疏水性，以及易于接近的銅位點等特性。在膜電極體系中，無論是使用純乙炔流還是15%的模擬煤基乙炔流作為進料氣，銅基配位聚合物CuBcpi-BuOK均表現(xiàn)出優(yōu)異的乙炔半加氫性能，其乙烯法拉第效率、選擇性、能量轉化效率、乙炔轉化率以及穩(wěn)定性等性能指標均優(yōu)于現(xiàn)有的分子催化材料。機理研究表明，CuBcpi-BuOK不僅通過引入氮雜環(huán)卡賓位點提升了開放銅位點的反應動力學，還利用雜化位點構建了有利的反應微環(huán)境，從而在能量上促進了乙炔的吸附及乙烯中間體的形成，實現(xiàn)了在膜電極系統(tǒng)中以安培級電流密度高效合成乙烯的目標。
圖1 CuBcpi-BuOK催化材料的合成與表征
圖2 膜電極乙炔半加氫性能結果 圖3 催化機理探究 論文信息 Hybrid Active Sites in Coordination Polymers Enable Ampere-level Acetylene Semihydrogenation in Membrane Electrode Assembly Systems Lei Zhang, Kun Ni, Pengfei Gao, Lingfeng Tang, Ran Du, Qian Ren, Qikui Fan, Chunlin Chen, Kun Ma, Sifei Zhuo, Baoliang Zhang Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202509501
