近日，在最新的一期Science，Leow等人以“Chloride-mediated selective electrosynthesis of ethylene and propylene oxides at high current density”為題，發(fā)表最新研究成果，提出了環(huán)氧乙烷(EO)和環(huán)氧丙烷(PO)的電化學(xué)路線，實(shí)現(xiàn)了合成過(guò)程的更清潔、更高效和更具選擇性的特點(diǎn)。
該研究工作中，在工業(yè)電流密度下，乙烯和丙烯可分別電化學(xué)氧化為環(huán)氧乙烷和環(huán)氧丙烷，其法拉第選擇效率約為70%。針對(duì)該研究，John L. Barton在同一期上發(fā)表觀點(diǎn)文章“Electrification of the chemical industry”，對(duì)該工作給予了評(píng)論。
Leow等人將液流電池與環(huán)氧乙烷合成反應(yīng)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了C2H2+H2O→C2H2O+H2(見(jiàn)圖1)。兩個(gè)電化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動(dòng)了該反應(yīng)，氯的析出發(fā)生在陽(yáng)極2Cl-→2e-+Cl2，氫的析出發(fā)生在陰極2H2O+2e-→H2+2OH-。這些反應(yīng)并不是特別新穎有趣，但創(chuàng)新之處在于將這兩個(gè)簡(jiǎn)單的反應(yīng)與隨后的三個(gè)均相化學(xué)反應(yīng)耦合起來(lái)。
陽(yáng)極溶液中的溶解氯分解為鹽酸和次氯酸(分別為HCl和HOCl)。后者與乙烯反應(yīng)生成1-氯2-羥基乙烷(HOCH2CH2Cl)，或乙撐氯醇。陰極溶液在氫的析出過(guò)程中富含了氫氧化物。當(dāng)陽(yáng)極水性乙撐氯醇溶液與堿性陰極溶液混合時(shí)，會(huì)產(chǎn)生環(huán)氧乙烷和氯離子。類似的路線也可以用丙烯生產(chǎn)環(huán)氧丙烷。
通過(guò)電池設(shè)計(jì)(例如，改變流速或電極厚度)可以降低能源強(qiáng)度，但電化學(xué)反應(yīng)(Cl2和H2的生成)的配對(duì)不太可能使能源強(qiáng)度降低到氯堿工藝以下，因?yàn)樗c電池電壓成比例。為了顯著改善能源需求，需要改變電化學(xué)工藝來(lái)降低電池電壓。除了本文分析之外，還有一些更細(xì)微的優(yōu)勢(shì)，比如減少用水量。
盡管Leow等人報(bào)告了這一特別工藝，不太可能是接下來(lái)環(huán)氧乙烷和環(huán)氧丙烷的主要生產(chǎn)途徑，但開發(fā)替代商用化學(xué)品的生產(chǎn)工藝，尤其是引入可再生能源，對(duì)于實(shí)現(xiàn)更綠色生產(chǎn)是必要的。
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