【儀表網 研發快訊】近日，中國科學院大連化學物理研究所能源催化轉化全國重點實驗室納米與界面催化研究中心碳基資源電催化轉化研究組(523組)宋月鋒副研究員等聯合復旦大學汪國雄教授團隊，在基于固體氧化物電解池(SOEC)的高溫電催化轉化研究中取得新進展。合作團隊在固體氧化物電解池中通過水蒸氣-甲烷共電解，同步制備了C2+產物與氫氣，提高了原子經濟性與系統穩定性；結合多種原位表征手段，系統揭示了陽極甲烷氧化偶聯反應機理。
甲烷(CH4)作為頁巖氣主要成分，是一種來源豐富、成本低廉的原料氣。將甲烷高效轉化為具有高附加值的C2+產物對能源利用與工業生產具有重要意義。然而，傳統氧化偶聯和無氧偶聯過程分別面臨過度氧化和積碳等問題，限制其進一步發展。因此，開發一種原子經濟性高、穩定性好的甲烷轉化模式具有重要的科學意義與應用價值。
在本工作中，研究團隊基于固體氧化物電解池，將陽極甲烷偶聯與陰極水蒸氣電解耦合，提出一種C2+和氫氣同步高效生產的新系統。該系統在127 mA cm?²的電流密度下，穩定運行超過90小時，C2+烴類選擇性超過75%，乙烯選擇性約為40%，且未觀測到積碳。原位Raman光譜和近常壓XPS結果表明，氧離子(O2-)在電壓驅動下從電解質傳輸到Ag表面生成活性電化學溢流氧物種(ESO)，甲烷與ESO反應生成甲基自由基(?CH3)。DFT結果進一步表明，Ag表面的ESO能促進甲烷吸附活化，降低甲烷C-H鍵斷裂能壘。同步輻射光電離質譜(SR-PIMS)結果表明，電極表面甲基自由基迅速脫附到氣相，發生氣相偶聯生成乙烷，乙烷脫氫最終生成乙烯。本工作為電化學甲烷偶聯中氣相甲基自由基的存在提供了直接實驗證據。
本研究提出了基于SOEC的水蒸氣-甲烷共電解制備C2+產物與氫氣的新反應模式，為甲烷高效轉化提供了新思路。此外，本研究還詳細闡述了陽極甲烷氧化偶聯的“表面活化-氣相偶聯”反應機制，為陽極甲烷轉化催化劑設計與反應工程優化提供了依據。
相關成果以“Electrochemical Conversion of Methane to C2+ Hydrocarbons and Hydrogen”為題，發表在《德國應用化學》(Angewandte Chemie International Edition)上。該工作的共同第一作者是我所523組博士研究生郭宜閣、劉天夫副研究員和合肥光源光電離質譜研究中心許鳴皋工程師。上述工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的資助。
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