ACS Catal：高效质子陶瓷电解池电解乙烷脱氢制乙烯和氢气

纳米技术

2021-09-17

乙烯是目前石油化工领域最大量的化学品，目前全球每年乙烯的产量达到1.43亿吨，乙烯的制备主要通过来自于石脑油或页岩气的乙烷在高温（>800 ℃）蒸汽裂解得到，虽然目前乙烯的制备技术非常成熟，成本具有竞争性，热催化蒸气重整乙烷裂解反应具有耗能过高的缺点。传统的蒸气裂解过程制备乙烯过程占据了生产成本的60 %，同时占据了目前制造业的2/3碳排放。

固体氧化物电化学电池能够用于燃料电池、电解池、电化学膜反应器，是实现更加高效节能生产乙烯的可行路线。近期相关文献中报道了通过BaZr_0.1Ce_0.7Y_0.2–xYb_xO_3−δ (BZCYYb)作为催化剂在400-750 ℃区间的质子陶瓷电化学电池进行乙烷制备乙烯和氢气，其中BZCYYb具有较高的离子导电率，能够实现渗透氢气效果。在非氧化乙烷脱氢制备乙烯和氢气的反应过程，反应物或产物的副反应得以抑制，保证较高的反应选择性同时避免大量释放CO₂。

有鉴于此，爱达荷国家实验室(INL) Wei Wu、Dong Ding等报道一种电催化方法直接将乙烷转化为乙烯和氢气，这种电催化反应方法使用平板型质子陶瓷膜反应器和双功能三维催化剂电极，在550 ℃单程乙烷转化率达到40 %，乙烯产量26.7 %。

本文要点：

（1）

作者使用BZCYYb作为电解液，实现了精确调控电化学乙烷脱氢制备乙烯和氢气过程的质子流量，电化学乙烷脱氢反应器由15 μm厚度的BZCYYb电解液层、450 μm多孔Ni-BZCYYb电极支撑材料、80 μm (PrBa)_0.95(Fe_0.9Mo_0.1)₂O_5+δ (PBFM)阳极，构建了反应器。

（2）

与目前的工业化乙烷蒸气重整制备乙烯方法过程相比，能量消耗降低45.1 %，能量利用效率提高50.6 %。而且，这种电催化过程进行固体氧化物电解池中催化剂能够重生，催化剂的失活降低了74 %，说明这种电催化乙烷重整制备乙烯的方法是一种技术合理路线。

参考文献

Wei Wu*, Lu-Cun Wang, Hongqiang Hu, Wenjuan Bian, Joshua Y. Gomez, Christopher J. Orme, Hanping Ding, Yanhao Dong, Ting He, Ju Li, and Dong Ding*, Electrochemically Engineered, Highly Energy-Efficient Conversion of Ethane to Ethylene and Hydrogen below 550 °C in a Protonic Ceramic Electrochemical Cell, ACS Catal. 2021, 11, 12194–12202

DOI: 10.1021/acscatal.1c03351

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.1c03351