Nouvelle conception de catalyseur pour la semi-hydrogénation électrocatalytique de l'acétylène

31 mai 2023

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par l'Université des sciences et technologies de Chine

Récemment, le groupe de recherche du professeur Zeng Jie du Hefei National Research Center for Physical Sciences at the Microscale and University of Science and Technology of China (USTC), en collaboration avec le professeur Xia Chuan et l'équipe du chercheur Zheng Tingting de l'Université des sciences et technologies électroniques de Chine, a développé un catalyseur de nanopoints de Cu sous-coordonné pour obtenir une semi-hydrogénation de l'acétylène avec une activité et une efficacité intrinsèques élevées. La recherche a été publiée dans Nature Communications.

L'éthylène est un matériau important dans l'industrie chimique. Normalement, le processus de production industrielle d'éthylène (C2H4) produit inévitablement 0,5 % à 3 % d'acétylène (C2H2) sous-produit qui empoisonne de manière irréversible les catalyseurs Ziegler-Natta, entraînant une baisse d'activité.

Par conséquent, il est important d'éliminer les impuretés C2H2 dans la production d'éthylène. La semi-hydrogénation thermocatalytique traditionnelle de C2H2 nécessite un catalyseur à base de palladium à haute température, haute pression et coûteux, ce qui limite son développement ultérieur.

La baisse du coût de l'électricité a motivé le développement de la semi-hydrogénation électrocatalytique de l'acétylène (EASH) en utilisant des catalyseurs à base de Cu comme alternative. Cependant, les catalyseurs à base de Cu précédents souffrent encore de réactions secondaires, ce qui entraîne une purification insatisfaisante.

Pour résoudre ce problème, l'équipe a d'abord synthétisé des nanopoints de Cu sous-coordonnés (Cu ND) comme catalyseurs par réduction in situ. Lorsqu'ils ont été testés pour leur activité sous flux d'acétylène pur, les ND de Cu sous-coordonnés ont atteint une efficacité faradique de plus de 90 % dans une large plage de densité de courant, atteignant un pic de 95,6 % à une densité de courant de -350 mA·cm-2. De plus, la spectroscopie in situ a révélé une barrière d'énergie plus faible pour les catalyseurs Cu NDs sous-coordonnés.

Les réacteurs à assemblage d'électrodes à membrane (MEA) présentent les avantages d'une faible résistance, d'une faible consommation d'énergie et d'une configuration compacte. Par conséquent, l'équipe a conçu un réacteur à deux électrodes de type MEA pour la génération continue de C2H4 de qualité polymère.

Dans le test d'évaluation des performances, un réacteur MEA de 25 cm2 pourrait convertir complètement 0,5 % de C2H2 en C2H4 à différents débits de 10 à 50 centimètre cube standard par minute (sccm). Avec l'augmentation du débit, la sélectivité en C2H4 a montré une tendance à la hausse. L'équipe a réussi à synthétiser en continu du C2H4 de qualité polymère pendant 130 heures sous un débit de 50 sccm avec une dégradation des performances négligeable (C2H2 résiduel inférieur à 1 partie par million, tension de cellule maintenue à -1,89 V).

Ce travail a réalisé un EASH hautement efficace pour produire de l'éthylène de qualité polymère grâce au développement de catalyseurs, à l'étude du mécanisme de réaction et à la conception de réacteurs, offrant des perspectives pour le développement futur de la purification électrocatalytique de l'éthylène.

Plus d'information: Weiqing Xue et al, Electrosynthèse d'éthylène de qualité polymère via la semi-hydrogénation de l'acétylène sur des nanopoints de Cu sous-coordonnés, Nature Communications (2023). DOI : 10.1038/s41467-023-37821-1

Informations sur la revue :Communication Nature

Fourni par l'Université des sciences et technologies de Chine