这篇文章的核心内容是关于在酸性条件下,通过电化学氢化反应将乙腈(acetonitrile, HAN)转化为乙胺(ethylamine)的研究。研究团队通过系统地筛选各种金属催化剂,发现Pd/C(钯/碳)催化剂在电流密度为200 mA cm−2时,乙胺的法拉第效率(Faradaic efficiency, FE)达到了43.8%,并具有2912.5 mmol g−1 h−1的特定生产速率,这比其他筛选出的金属催化剂高出约一个数量级。通过 operando 表征和密度泛函理论(DFT)计算,研究揭示了原位形成的PdHx(钯氢化物)是催化反应的活性中心,并且中间体*MeCH2NH2的吸附强度决定了催化选择性。此外,理论分析显示了一个经典的d带介导的火山曲线,描述了催化剂电子结构与活性之间的关系,这为设计更有效的电化学氢化反应催化剂提供了宝贵的见解。

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文章还讨论了乙胺作为化学工业中的关键基础化学品,在合成制药和精细化学品中的广泛应用。传统的工业方法在高温高压下进行,引发了对安全和经济成本的严重关切。相比之下,使用水作为氢源的电催化HAN(E-HAN)可以在温和条件下进行。尽管最早的E-HAN研究可以追溯到1980年代,但由于乙腈转化率低和乙胺选择性差,其与传统的热催化HAN工艺相比竞争力不足。因此,寻找具有良好选择性和催化活性的新催化剂对于E-HAN至关重要。

研究团队还进行了一系列的实验和表征,包括TEM、SEM、XRD、XPS、NMR、GC等,以验证催化剂的性能和稳定性。此外,还进行了初步的技术经济分析,以评估使用Pd/C催化剂在PEM(质子交换膜)电解器中生产乙胺的经济可行性。结果表明,与传统的阳极氧化反应(OER)相比,使用氢氧化反应(HOR)作为阳极反应可以显著提高经济效益。