Novo design de catalisador para semi-hidrogenação eletrocatalítica de acetileno

31 de maio de 2023

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pela Universidade de Ciência e Tecnologia da China

Recentemente, o grupo de pesquisa do Prof. Zeng Jie do Hefei National Research Center for Physical Sciences na Microscale and University of Science and Technology of China (USTC), em colaboração com o Prof. Xia Chuan e a equipe do pesquisador Zheng Tingting da University of Electronic Science and Technology da China, desenvolveu um catalisador de nanopontos de Cu subcoordenado para alcançar a semi-hidrogenação de acetileno com alta atividade intrínseca e eficiência. A pesquisa foi publicada na Nature Communications.

O etileno é um material de destaque na indústria química. Normalmente, o processo de produção industrial de etileno (C2H4) inevitavelmente produz 0,5%-3% de subproduto de acetileno (C2H2) que envenena irreversivelmente os catalisadores Ziegler-Natta, resultando em um declínio na atividade.

Portanto, é importante remover as impurezas C2H2 na produção de etileno. A tradicional semi-hidrogenação termocatalítica de C2H2 requer alta temperatura, alta pressão e caro catalisador à base de paládio, o que limita seu desenvolvimento.

A diminuição do custo da eletricidade tem motivado o desenvolvimento da semi-hidrogenação eletrocatalítica de acetileno (EASH) usando como alternativa catalisadores à base de Cu. No entanto, os catalisadores anteriores à base de Cu ainda sofrem reações secundárias, o que resulta em purificação insatisfatória.

Para resolver esse problema, a equipe primeiro sintetizou nanopontos de Cu subcoordenados (Cu NDs) como catalisadores por redução in situ. Quando testados para atividade sob fluxo de acetileno puro, os Cu NDs subcoordenados alcançaram uma eficiência faradaica de mais de 90% sob uma ampla faixa de densidade de corrente, atingindo um pico de 95,6% em uma densidade de corrente de -350mA·cm-2. Além disso, a espectroscopia in situ revelou uma barreira de energia mais baixa para catalisadores Cu NDs subcoordenados.

Os reatores de montagem de eletrodo de membrana (MEA) têm as vantagens de baixa resistência, baixo consumo de energia e configuração compacta. Portanto, a equipe projetou um reator de dois eletrodos do tipo MEA para geração contínua de C2H4 de grau de polímero.

No teste de avaliação de desempenho, um reator MEA de 25 cm2 pode converter completamente 0,5% de C2H2 em C2H4 em diferentes vazões de 10 a 50 centímetros cúbicos padrão por minuto (sccm). Com o aumento da vazão, a seletividade do C2H4 apresentou uma tendência ascendente. A equipe conseguiu sintetizar continuamente o C2H4 de grau de polímero por 130 horas sob uma taxa de fluxo de 50 sccm com queda de desempenho insignificante (C2H2 residual inferior a 1 parte por milhão, tensão da célula mantida em -1,89V).

Este trabalho realizou EASH altamente eficiente para produzir etileno de grau de polímero através do desenvolvimento de catalisador, estudo do mecanismo de reação e projeto do reator, fornecendo perspectivas para o desenvolvimento futuro da purificação eletrocatalítica de etileno.

Mais Informações: Weiqing Xue et al, Eletrossíntese de etileno de grau de polímero via semi-hidrogenação de acetileno sobre nanopontos de Cu subcoordenados, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-37821-1

Informações do jornal:Natureza Comunicações

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