電極触媒によるアセチレン半水素化のための新しい触媒設計

2023年5月31日

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中国科学技術大学による

最近、合肥国立マイクロスケール物理科学研究センターおよび中国科学技術大学（USTC）のZeng Jie教授の研究グループは、電子科学技術大学のXia Chuan教授およびZheng Tingting研究員のチームと協力しました。中国のCuナノドット触媒を開発し、高い固有活性と効率を備えたアセチレンの半水素化を達成した。 この研究はNature Communications誌に掲載された。

エチレンは化学産業において重要な材料です。 通常、エチレン (C2H4) の工業生産プロセスでは、チーグラー ナッタ触媒を不可逆的に被毒させ、活性の低下を引き起こす 0.​​5% ～ 3% のアセチレン (C2H2) 副産物が不可避的に生成されます。

したがって、エチレン製造では C2H2 不純物を除去することが重要です。 C2H2 の従来の熱触媒による半水素化には、高温、高圧、高価なパラジウムベースの触媒が必要であり、これがさらなる開発を制限します。

電力コストの低下により、代替として Cu ベースの触媒を使用する電極触媒によるアセチレン半水素化 (EASH) の開発が促進されています。 しかし、従来の Cu ベースの触媒では依然として副反応が発生し、その結果、精製が不十分になります。

この問題を解決するために、研究チームはまず、その場還元によって触媒として過小配位銅ナノドット（Cu ND）を合成した。 純粋なアセチレン流下での活性をテストした場合、配位不足のCu NDは広範囲の電流密度で90%を超えるファラデー効率を達成し、-350mA・cm-2の電流密度で95.6%のピークに達しました。 さらに、in situ 分光法により、配位不足の Cu ND 触媒のエネルギー障壁が低いことが明らかになりました。

膜電極接合体 (MEA) 反応器には、低抵抗、低エネルギー消費、コンパクトな構成という利点があります。 したがって、チームはポリマーグレードの C2H4 を連続生成するための MEA 型 2 電極反応器を設計しました。

性能評価テストでは、25 cm2 MEA リアクターは、10 ～ 50 標準立方センチメートル/分 (sccm) のさまざまな流量で、0.5% C2H2 を C2H4 に完全に変換できました。 流量の増加に伴い、C2H4 の選択性は上昇傾向を示しました。 研究チームは、流量 50 sccm で、性能低下を無視してポリマーグレードの C2H4 を 130 時間連続合成することに成功しました (残留 C2H2 は 1 ppm 未満、セル電圧は -1.89 V に維持)。

この研究は、触媒の開発、反応機構の研究、反応器の設計を通じてポリマーグレードのエチレンを製造する高効率EASHを実現し、電極触媒によるエチレン精製の将来の開発への展望を提供しました。

詳しくは： Weiqing Xue et al、配位不足の Cu ナノドット上のアセチレン半水素化によるポリマーグレードのエチレンの電気合成、Nature Communications (2023)。 DOI: 10.1038/s41467-023-37821-1

雑誌情報:ネイチャーコミュニケーションズ

中国科学技術大学提供