北京时间2022年1月10日，国际著名期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie）在线发表了西北工业大学化学与化工学院张健教授团队完成的题为“Functional Aqueous Zinc-Acetylene Batteries for Electricity Generation and Electrochemical Acetylene Reduction to Ethylene”的研究论文。
乙烯作为一种重要的化工原料，每年的全球产量高达2亿吨。但是，石油裂解制得的粗制乙烯通常含有约0.5~3%的乙炔杂质，这些少量的杂质会毒化下一步烯烃聚合过程的催化剂，导致催化剂寿命下降、产品质量差。我校化学与化工学院张健教授团队于2021年先后在国际著名期刊《自然•催化》（Nature Catalysis）和《自然•通讯》（Nature Communications）上发表相关研究论文，报道了一种相对于传统热催化更加清洁、高效、安全的电催化乙炔选择性还原策略。然而，在电催化乙炔还原的过程中仍需不断消耗电能，据计算，若利用电催化乙炔选择性还原方法对粗制乙烯进行纯化，每年将消耗约1.42×108 kW·h电能。若利用传统的火力发电为其提供电能，不仅会消耗不可再生能源，还会对环境造成负担，不符合绿色化学和可持续发展战略。同时，可再生能源发电方式，包括太阳能发电、风能发电、潮汐能发电等都存在依赖地理位置、天气、气候等不确定因素的特点，无法满足长期稳定的大规模工业化生产。
针对以上问题，我校化学与化工学院张健教授团队基于三相界面电化学反应体系，进一步构建了分别以高理论比容量的金属锌为阳极和铜枝晶负载的气体扩散电极为阴极的功能性水系锌-乙炔电池。该电池利用阳极稳定的锌氧化过程给出电子，驱动阴极上乙炔选择性还原为乙烯，最终在实现聚合物级乙烯生产的同时也产生电能。实验结果表明，该电池具有1.14 V的开路电压和2.2 mW cm-2的功率密度。利用25 cm2锌-乙炔电池对模拟粗制乙烯（含10000 ppm乙炔）进行除杂时，乙烯的选择性高达99.6%，并将乙炔杂质降至3 ppm。此外，利用该新型锌-炔电池对粗制丙烯和1,3-丁二烯进行纯化，其丙炔和丁炔的转化率也分别达到97%和89%，具有很好的普适性。
图1 锌-乙炔电池的放电性能
图2 在粗制烯烃中25 cm2锌-炔电池体系炔烃半氢化性能
我校化学与化工学院2021级博士生安思盈和材料学院博士研究生刘振鹏为共同第一作者，西北工业大学为唯一单位，张健教授为唯一通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、陕西省自然科学基及国家重点研究开发计划子课题的大力支持。同时感谢西北工业大学分析测试中心在材料表征方面的支持。
论文链接为：https://doi.org/10.1002/ange.202116370
文/安思盈、张健
审核/张啸川
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