近日，课题组在Nature Communications上发表题为“Electrosynthesis of ethylene glycol from C1 feedstocks in a flow electrolyzer”的研究论文，文章的第一作者为课题组2021届博士夏荣，通讯作者为物质绿色创造与制造海河实验室副主任马新宾教授、美国特拉华大学的Feng Jiao和德克萨斯大学奥斯汀分校Yuanyue Liu。

研究背景

乙二醇的全球产能为4200万吨/年，被广泛用作防冻剂和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET，世界第四大产量的合成塑料)的前体。目前，乙二醇主要通过在220-280℃和1-3 MPa下的乙烯部分氧化以及随后的环氧乙烷水解来生产，也可以从C1原料，如甲醇和合成气生产。为了避免乙烯过度氧化和反应速度慢的问题，可再生电力驱动的从C1原料电合成乙二醇技术颇具吸引力，有望减少乙二醇生产过程中的二氧化碳排放。

研究思路剖析

本研究报道了一种成对电催化方法从原料甲醇生产乙二醇的技术。碳催化剂以92%的法拉第效率将甲醛还原为乙二醇，而阳极Pt催化剂通过甲醇部分氧化生成甲醛，法拉第效率为75%。通过膜电极装置，展示了在单个电解槽中由甲醇电合成乙二醇的可行性。电解槽在3.2 V的全电池电压、100 mA cm⁻²的电流密度下，降低了60%的能耗。甲醛电还原中C-C偶联有两种可能的途径。在第一种情况下，C-C偶联通过formose反应发生，其中两个甲醛分子的缩合反应生成乙醇醛，然后乙醇醛加氢生成乙二醇。另一种途径是C-C偶联发生在初始质子转移步骤之后，其中两个CH₂OH中间体反应形成乙二醇。通过原位流动电解槽质谱、同位素标记和密度泛函理论(DFT)计算等结果表明：C-C偶联可能发生在两个CH₂OH之间，CH₂OH的解吸在形成乙二醇过程中起重要作用，是决定乙二醇选择性的关键步骤。

图 1. 单膜-电极分解(MEA)电解槽中乙二醇的电合成

图 2. 甲醛电还原反应机理研究

意义分析

本文报道了一种成对电催化方法从原料甲醇生产乙二醇的技术。碳催化剂以92%的法拉第效率将甲醛还原为乙二醇，而阳极Pt催化剂通过甲醇部分氧化生成甲醛，法拉第效率为75%。通过膜电极装置，展示了在单个电解槽中由甲醇电合成乙二醇的可行性。电解槽在3.2 V的全电池电压、 100 mA cm⁻²的电流密度下，降低了60%的能耗。通过原位流动电解槽质谱、同位素标记和密度泛函理论(DFT)计算等结果表明：*CH₂OH中间体的解吸是决定乙二醇选择性的关键步骤。该工作为电化学合成乙二醇工艺提供了新的思路。

来源：天大一碳化工课题组