二氧化碳制环氧乙烷研究获新突破

近日，华东理工大学化工学院教授李春忠和多伦多大学教授Edward Sargent在环氧乙烷高效制备领域取得新突破，相关研究成果在线发表于《自然—催化》。

新型氧化还原介导电催化示意图   受访者供图

我国作为世界最大的聚酯生产国，对环氧乙烷这一重要石油化工基础有机原料的年需求量超千万吨。目前，国际和国内绝大多数装置都采用乙烯直接氧化路线生产环氧乙烷，但由于该路线的乙烯完全氧化问题，使其产生大量碳排放。

利用电催化技术在“无碳排放”及“碳减排”条件下高效制备环氧乙烷，将为传统化工行业带来环保技术升级契机。但目前电催化二氧化碳（CO₂）制环氧乙烷的效率较低，整体电解池能量效率低于15%，且能耗是当前工业路线能耗的5倍。

研究人员通过在工业催化剂氧化铱（IrO₂）上负载第六周期金属氧化物来制备高效催化剂。其中，在钡、镧、铈和铋氧化物中，发现负载钡氧化物的催化剂高效抑制关键中间体的降解过程，实现了阳极乙烯制环氧乙烷法拉第效率达到90%。该过程环氧乙烷产物选择性超过98%，且不存在乙烯完全氧化产生的碳排放问题。当将其与阴极氧还原反应配对时，每生产1千克环氧乙烷所需能耗仅需5.3MJ（兆焦），这与现有高碳排放的工业制环氧乙烷过程的能耗相当。

研究表明，进一步利用水氧化和氧还原这一氧化还原介导，创新构建了新型氧化还原介导电催化系统，通过高效耦合CO₂制乙烯与乙烯制环氧乙烷的过程，实现低能量输入的环氧乙烷电催化制备。

“该工作实现了高转化率的环氧乙烷电催化制备，在工业级电流密度下,CO₂制环氧乙烷的法拉第效率超过35%，比文献报道最高值提升1.4倍，并降低了电解工作电压。”李春忠说。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41929-022-00749-8