作为重要的石油化工原料，乙烯主要通过石脑油蒸汽裂解制得。近年来。随着乙烯需求量的增加以及大规模页岩气的开采，乙烷脱氢制乙烯反应由于其高选择性和经济可行性受到了人们的广泛关注。由于受热力学限制，乙烷无氧脱氢制乙烯一般反应温度较高，且伴随有积碳生成。而乙烷有氧脱氢反应（oxidative dehydrogenation of ethane, ODE）能够克服热力学限制，反应温度较低，但反应气中氧气的存在会诱发碳氢化合物的深度氧化，进而导致乙烯选择性的下降，同时，乙烷和氧气的混合气存在一定的安全隐患。因此，开发新型高效的乙烷脱氢制乙烯过程对于石油化工至关重要。

图1. SOEC-ODE示意图。

近日，中国科学院大连化学物理研究所汪国雄研究员（点击查看介绍）和包信和院士（点击查看介绍）团队，利用固体氧化物电解池（Solid oxide electrolysis cell, SOEC），在SOEC阳极实现了高选择性乙烷电化学脱氢制乙烯。

图2. ODE活性及稳定性测试。

图3. DFT理论计算。

研究人员将乙烷通入SOEC阳极，利用阴极CO₂电解生成的氧物种催化转化乙烷制乙烯。并通过在LSCF-SDC阳极表面修饰γ-Al₂O₃进一步提高了ODE活性，在γ-Al₂O₃负载量为0.390 mg cm^-2时，600 C条件下，乙烯的选择性最高达到92.5%，乙烷的转化率最高为29.1%，而且在乙烯选择性为90%的条件下连续运行200小时无明显衰减且无积碳生成。原位XPS表征结果以及DFT理论计算表明，LSCF-SDC阳极表面修饰-Al₂O₃之后，电极表面氧空位以及吸附氧物种数量减少，而且界面处Al-O-Fe的形成促进了乙烷的吸附，从而提升了乙烯的选择性和乙烷的转化率。同时，阴极CO₂电解制CO的法拉第效率约为100%。该过程利用SOEC同时实现了二氧化碳和乙烷的高选择性电催化转化，为低碳分子的催化转化提供了新的研究思路。

相关结果发表Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是大连化物所博士研究生宋月锋，博士研究生林乐为共同第一作者。

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Interfacial Enhancement by γ-Al₂O₃ of Electrochemical Oxidative Dehydrogenation of Ethane to Ethylene in Solid Oxide Electrolysis Cells

Yuefeng Song, Le Lin, Weicheng Feng, Xiaomin Zhang, Qiao Dong, Xiaobao Li, Houfu Lv, Qingxue Liu, Fan Yang, Zhi Liu, Guoxiong Wang,* Xinhe Bao

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201908388

导师介绍

汪国雄

https://www.x-mol.com/university/faculty/49757

包信和

https://www.x-mol.com/university/faculty/22810

（本稿件来自Wiley）