乙烯是石油化学工业的重要基石，主要用于生产合成乙醇、乙二醇、环氧乙烷、聚氯乙烯等化工产品，其产量是衡量一个国家石油化工生产能力与水平的标志。目前，乙烷转化制乙烯主要通过管式炉中水蒸汽裂解烷烃脱氢来大规模工业化生产的，但是面临条件苛刻、转化率低、选择性低和催化剂易积碳等难题。

图：多孔单晶电极促进乙烷电化学氧化脱氢制乙烯

在国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点专项、国家自然科学基金重大研究计划重点项目和中科院战略性先导科技专项（B类）等支持下，中科院功能纳米结构设计与组装/福建省纳米材料重点实验室谢奎课题组利用晶格重构策略生长了CeO₂多孔单晶，构筑单晶表面清晰的Ce—O不饱和配位活性结构，并组装成固体氧化物电解池（Solid oxide electrolyser Cell, SOEC），在SOEC阳极实现了高选择性乙烷电化学氧化脱氢制乙烯，在SOEC阴极实现了二氧化碳还原制一氧化碳。原位近常压XPS结果表明CeO₂多孔单晶电极在氧化过程可以促进晶格氧向活性氧的转变，明确了O^2—、O₂^2—和O₂^—等活性氧物种能有效地将乙烷电化学氧化脱氢制乙烯，但是O^—等氧物种更倾向于诱导乙烷的深度氧化。原位红外和DFT理论计算表明乙烷电化学氧化脱氢的反应中间产物是环氧物种，而清晰的CeO₂多孔单晶表面结构促进了乙烷的吸附，从而提升了乙烯的选择性和乙烷的转化率，并且连续运行300小时性能无明显衰减且无积碳生成。该催化过程利用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。

相关成果发表在Angew Chem Int Ed上，https://doi.org/10.1002/anie.202109355。论文的第一作者是叶灵婷副研究员。

课题组长期从事多孔单晶与多相催化研究，并取得系列进展: Angew Chem Int Ed, 2021, https://doi.org/10.1002/anie.202106243; CCS Chem. 2021, 3, 1341-1351; Angew Chem Int Ed, 2021, 60, 9311; Angew Chem Int Ed, 2021, 60, 5240; Adv Funct Mater, 2021, 31, 2008900; Angew Chem Int Ed, 2020, 59, 16440; ACS Catal, 2020, 10, 3505; Angew Chem Int Ed, 2020, 59, 8891; Nat Commun, 2019, 10, 3618; Nat Commun, 2019, 10, 4727; Adv Mater, 2019, 1806552; Nat Commun, 2019, 10, 1173; Nat Commun, 2019, 10, 1550; Sci Adv, 2018, 4, eaar5100; Mater Horiz, 2018, 5, 953; Nat Commun, 2017, 8, 2178; Nat Commun, 2017, 8, 14785。

文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202109355

（谢奎课题组供稿）