乙烯电氧化反应相比于传统热催化具有能耗低和CO2排放少的优势，在实践中有巨大的应用潜力。乙烯在电催化中存在易过氧化和反应活性不足的缺点。目前乙烯电氧化局限于近中性淡水电解液，使得能耗较高且加剧了淡水的消耗。有无可能在提升乙烯反应活性的同时减少淡水的使用是研究者关注的课题。
近日，澳大利亚科学院院士乔世璋&郑尧教授团队首次报道了使用商业Pd/C催化剂在以天然海水为电解液的强酸性环境中实现了乙烯电氧化生成2-氯乙醇。在1.6 V电压和氯的参与下，酸性海水中2-氯乙醇的生产率高达26.3 g m-2 h-1，为酸性淡水中乙二醇生成量的223倍。
图1. 商业Pd/C催化剂乙烯电氧化反应评估
在低电位下，由于*OH/*Cl的竞争吸附促使2-氯乙醇的产生。随着电解液中氯化物浓度的提升，*Cl覆盖度增加促使2-氯乙醇的生成。电化学测试分析和实验验证证明了高浓度含氯化物电解液中高*Cl覆盖度促使了2-氯乙醇的产生抑制了乙二醇的生成。这不同于在高电位下次氯酸间接氧化乙烯生成2-氯乙醇的反应机制。
图2. 低电位下的机理分析
图3. 活性中心和机理分析
在酸性海水中，Pd/C上乙烯电氧化的测试结果表明乙烯在海水中的反应活性明显优于淡水，并且具有良好的稳定性。在PEM测试中，与天然海水相比，酸性海水中乙烯电氧化反应活性更高，氯乙醇的产率和能耗较低。在2.2 V电压下，氯乙醇在酸性海水中的法拉第效率可达~68%，且产率和能耗比海水分别高~64倍和低~6倍。
图4. 在海水中的乙烯电氧化反应
这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是阿德莱德大学黄林森。
Ethylene Electrooxidation to 2-Chloroethanol in Acidic Seawater with Natural Chloride Participation
L. Huang, P. Wang, Y. Jiang, K. Davey, Y. Zheng and S.-Z. Qiao
J. Am. Chem. Soc., 2023, DOI: 10.1021/jacs.3c05114
通讯作者简介
乔世璋教授， 现任澳大利亚科学院院士，澳大利亚阿德莱德大学化工学院纳米技术首席教授，能源与催化材料中心（Centre for Materials in Energy and Catalysis）主任，主要从事新能源技术纳米材料领域的研究，包括电池、电催化、光催化等。作为通讯联系人，在 Nature、Nature Energy、Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie-International Edition、Advanced Materials 等国际顶级期刊发表学术论文520篇，引用112680次，h指数为172。
乔世璋教授已获得多项重要奖励与荣誉，包括2023年澳大利亚研究理事会工业桂冠学者（ARC Industry Laureate Fellow）、2021年南澳年度科学家奖、2017年ARC澳大利亚桂冠学者（ARC Australian Laureate Fellow）、2016年埃克森美孚奖、2013年美国化学学会能源与燃料部新兴研究者奖以及澳大利亚研究理事会杰出研究者奖（DORA）。乔教授是国际化学工程师学会会士、澳大利亚皇家化学会会士、英国皇家化学会会士等。同时，他担任国际刊物英国皇家化学会杂志EES Catalysis 主编，也是科睿唯安（Clarivate Analytics）/ 汤姆森路透（Thomson Reuters）化学、材料科学和环境与生态三个领域的高被引科学家(近十年有120 篇高被引论文)。
https://www.x-mol.com/university/faculty/29675
郑尧副教授，2014年博士毕业于昆士兰大学，目前为阿德莱德大学化工学院副教授。主要研究方向为电化学能源转化，包括电炼化（electrocatalytic refinery）、水裂解、二氧化碳还原等。目前作为第一作者和通讯作者已在Nature Energy、Nature Chemistry、Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie-International Edition、Advanced Materials等国际顶级期刊上发表论文150余篇，引用次数超过37,000次，h指数为77。获得澳大利亚研究理事会（ARC）包括Future Fellowship，Discovery Project，DECRA项目共计270余万澳元的资助。他也是科睿唯安（Clarivate Analytics）化学领域的高被引科学家。
https://www.x-mol.com/university/faculty/332847
