乙烯(C2p)是合成聚乙烯的主要原料，每年消耗量巨大。目前工業規模的C2p生產仍以石油裂解為主，同時能耗較高。最近，煤制乙炔加熱半氫化(SAE)被認為是一種有前景的C2p生產途徑。然而，SAE過程受到過量氫氣消耗、高反應溫度和壓力的影響。
此外，為了滿足聚合級乙烯中乙炔含量的嚴格要求(不超過5 ppm)，可能需要額外的乙炔去除步驟。由可再生電力驅動的電催化SAE(ESAE)為直接將乙炔轉化為聚合級C2p提供了一種可持續的替代途徑。ESAE工藝采用水(pO)作為氫源，避免了p的消耗。
然而，工業級電流密度下嚴重的析氫反應(HER)極大地限制了C2p的法拉第效率(FE)和單程產率。在這種情況下，乙炔完全轉化為乙烯需要較大的迴圈比，從而大大增加了生產成本。因此，迫切需要合理設計和制備能夠抑制HER並在工業級電流密度下高效生產乙烯的催化劑。
近日， 西北大學屈雲騰 、 冷坤嶽 和 中國科學院高能物理研究所鄭黎榮 等透過原位電還原方法制備了鹵素摻雜的Cu催化劑(鹵素原子透過鹵素-Cu鍵吸附在Cu(111)面)，以實作高效的ESAE過程。
實驗結果表明，最優的Cu-F催化劑在−1.5 VRHE下，電流密度達到1 A cm-2；在−0.5~−1.3 VRHE的寬電位範圍內，C2p的法拉第效率超過90%。此外，Cu-F催化劑在200 mA cm-2電流密度下連續執行43小時而沒有發生明顯的活性衰減，並且反應後材料的形貌和結構未發生改變，顯示出Cu-F穩健的長期穩定性。
原位光譜和理論計算表明，F原子的存在增強了相鄰Cu位點(Cuδ+)的水解離能力，這促進了活性氫物種的產生；隨後活性氫物種立即轉移到Cu0位點(遠離F原子)並與局部吸附的乙炔反應，從而抑制了HER，提高了乙炔半加氫的整體效能。
此外，在串聯流動池裝置中，Cu-F催化劑幾乎完全將乙炔轉化為乙烯，並且表現出優異的穩定性，突出了其將乙炔直接電還原為聚合級乙烯的巨大潛力。總的來說，該項研究為乙烯及其他重要工業原料的大規模電合成催化劑的合理設計提供了參考範例。
Efficient industrial-current-density acetylene to polymer-grade ethylene via hydrogen-localization transfer over fluorine-modified copper. Nature Communications, 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-44171-5
