作者:孙丹宁 来源:中国科学报 发布时间:2023/3/20 20:16:07
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科学家开发直接电解粗合成气制乙烯新过程

 

近日,中国科学院大连化学物理研究所研究员邓德会、副研究员崔晓菊团队通过设计多步耦合电解装置,开发直接电解含硫化氢杂质的粗合成气制备乙烯(C2H4)新过程,为粗合成气的直接高效转化提供了新思路。相关成果发表在《能源与环境科学—催化》上。

C2H4是世界上产量最大的化学产品之一,在国民经济中占有重要的地位。工业上其主要是通过高温裂解石脑油获得,而我国能源禀赋具有“富煤贫油少气”的特点,发展以煤或天然气经合成气为原料制备乙烯的过程具有重要意义。

然而,煤和天然气转化得到的合成气中往往含有大量硫化氢杂质。在传统的热催化转化过程中,H2S极易毒化催化剂,导致催化剂的失活,在使用合成气前通常需要额外的纯化过程,从而导致成本和能耗的增加。因此,发展粗合成气直接催化转化的方法前景广阔但也极具挑战。

基于电催化的CO还原过程,可在常温常压下实现CO高选择性制备乙烯。但目前已报道的工作中均以CO为原料气,尚未有直接电解粗合成气制C2H4的相关报道。主要原因是由于在电催化过程中,粗合成气中的H2S会毒化CO电还原催化剂,极大降低生成乙烯的效率。因此,亟需设计和开发新的电催化过程。

本工作中,团队将阳极的H2S氧化反应与阴极的CO还原反应耦合,开发了多步耦合电解粗合成气转化制C2H4的新过程。团队首先将含H2S杂质的合成气通入到该电解装置中的阳极,阳极在石墨烯封装金属钴镍“铠甲催化剂”作用下,发生H2S的选择催化氧化去除反应。随后,团队将未反应的合成气通入到电催化的阴极,阴极在铜基催化剂作用下,发生CO还原制C2H4,以及H2O还原制H2反应。该过程集四重功能于一体,既去除了合成气中的H2S杂质,实现高效的C2H4制备;又增加了合成气中的H2含量,降低了电解装置的整体能耗。

实验测试发现,利用该过程直接电解含有10%H2S组分的合成气时,C2H4的法拉第效率为49.7%,相比于非耦合体系,制备相同体积的C2H4所需能耗降低了46.5%。同时,合成气中的H2S杂质被完全去除,H2的含量从30%增加到了39.2%,更有利于合成气的进一步加工制备高附加值产品。

相关论文信息:https://doi.org/10.1039/D3EY00005B

 
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