第一作者：遲明芳、柯景文、Yan Liu

通訊作者：曾杰、耿志剛

通訊單位郵箱：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

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傳統(tǒng)的環(huán)氧丙烷工業(yè)合成方法因產(chǎn)生大量廢水和污泥而逐漸被淘汰，而基于過氧化氫的工藝雖環(huán)境友好但成本高昂。由于活性、穩(wěn)定性和選擇性等性能限制，環(huán)氧丙烷的電化學(xué)合成遠未實際應(yīng)用。

本研究通過空間解耦策略顯著提升了環(huán)氧丙烷的電化學(xué)合成效率。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)曾杰教授、耿志剛教授團隊，通過在陽極生成溴并將其轉(zhuǎn)移至獨立反應(yīng)器與丙烯反應(yīng)，避免了陽極和丙烯的直接接觸。該策略有效防止了副反應(yīng)的發(fā)生，消除了大量烯烴輸入和劇烈攪拌電解質(zhì)對穩(wěn)定性的干擾，提高了選擇性和穩(wěn)定性。

實驗結(jié)果顯示，環(huán)氧丙烷的選擇性可達99.9%以上，法拉第效率為91%，穩(wěn)定性超過750小時。當(dāng)電極面積擴大到25cm²時，連續(xù)電解50小時，電流為6.25A，可以獲得262g純環(huán)氧丙烷。

此外，該電化學(xué)溴醇路線也適用于其他烯烴的高效轉(zhuǎn)化。這些發(fā)現(xiàn)證明了電化學(xué)溴醇路線在制造環(huán)氧化物方面的可行性。

圖文導(dǎo)讀

圖1：電化學(xué)溴醇路線合成環(huán)氧丙烷的反應(yīng)過程。

圖2：評估電化學(xué)合成PO的催化性能和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖3：技術(shù)經(jīng)濟分析(TEA)和PO的大規(guī)模生產(chǎn)。

圖4：電化學(xué)溴醇路線對其他烯烴底物的普適性。

總結(jié)展望

本研究開發(fā)了一種使用溴化物介導(dǎo)的空間解耦策略，實現(xiàn)了環(huán)氧丙烷的高效電合成。該系統(tǒng)在電流密度、法拉第效率和產(chǎn)物選擇性方面達到了創(chuàng)紀錄的高水平，并且具有良好的長期穩(wěn)定性。

此外，該系統(tǒng)還顯示出對多種烯烴底物的普適性，為環(huán)氧丙烷生產(chǎn)提供了一條替代路線，克服了氯醇法、過氧化氫法和其他電化學(xué)過程中的挑戰(zhàn)，為化學(xué)制造業(yè)的電氣化鋪平了道路。

實驗結(jié)果表明，當(dāng)電極面積擴大到25?cm²時，連續(xù)電解50小時可以獲得262克純丙烯環(huán)氧化，證明了該電化學(xué)溴醇路線在工業(yè)應(yīng)用中的潛力。

文獻信息

標(biāo)題：Spatial decoupling of bromide-mediated process boosts propylene oxide electrosynthesis

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-48070-1