院士領銜！中國青年學者合作，最新Nature 大子刊：合成氣也能高效制乙烯！

不用純 CO，合成氣也能高效制乙烯

乙烯是全球產量最大的基礎化工原料之一，廣泛用于塑料、橡膠和化工中間體的生產。傳統乙烯制備高度依賴化石能源，不僅能耗高、碳排放大，也越來越難以適應低碳轉型需求。電化學路徑被認為是實現乙烯綠色制造的重要方向，其中“CO → 乙烯”的電還原反應因碳效率高而備受關注。然而現實應用中，大多數高性能體系嚴重依賴高純一氧化碳，而純CO來源受限、價格高昂，成為規模化應用的最大障礙。相比之下，合成氣作為工業上最主要的CO來源，年產量是純CO的數百倍，但其中混雜大量氫氣（H?）。氫氣的存在會稀釋CO濃度、加劇副反應，導致乙烯選擇性和單程轉化效率難以兼得。如何在不分離合成氣組分的前提下，實現高效、低成本的乙烯電合成，一直是該領域的核心難題。

今日，加拿大多倫多大學David Sinton院士、繆睿凱博士聯合新西蘭奧克蘭大學王子運博士共同提出了一種全新的“CO穿梭（CO-shuttling）”策略：通過在銅電極中引入羧基（–COOH）功能化碳材料，選擇性捕獲合成氣中的CO，并在催化界面強化CO吸附，從而在CO被氫氣嚴重稀釋的條件下，仍能維持高乙烯選擇性和高單程轉化效率。該體系在 H?/CO = 2/1 的合成氣條件下，實現了 72% 的乙烯法拉第效率（FE）和 73% 的CO單程轉化效率（SPCE），整體性能甚至超越了部分使用純CO進料的體系，為合成氣直接制乙烯提供了一條更具工業可行性的路徑。相關成果以“Electrosynthesis of ethylene from syngas”為題發表在《Nature Sustainability》上，Feng Li, Zunmin Guo, Yu Yan, Qiyou Wang為共同第一作者。

為什么必須“跳過純 CO”，直接用合成氣？

從圖1a可以看到，現有乙烯電合成體系中，乙烯法拉第效率與單程轉化效率往往難以同時達到較高水平，尤其是在追求高轉化率時，體系性能會迅速下滑。這一矛盾在使用合成氣作為進料時尤為突出，因為合成氣中不可避免地含有大量氫氣。圖1b則從產業視角給出了更直觀的答案：無論是塑料熱解、反應捕集，還是固體氧化物電解（SOEC），工業端更傾向直接得到合成氣而非純 CO。如果電合成乙烯仍然強依賴純 CO，不僅增加了前端分離成本，也削弱了整條路線的低碳和經濟優勢。因此，“能否直接利用合成氣”，成為乙烯電合成能否走向產業化的分水嶺。

圖1：不同電解體系中乙烯法拉第效率與單程轉化效率對比，以及合成氣制乙烯的整體技術路線

真正卡住合成氣電合成的，不是反應，而是傳質

在圖2中，研究團隊系統考察了不同 H?/CO 比例、氣體流量和操作壓力對反應性能的影響。結果顯示，在較高流量下，適量氫氣反而有利于乙烯生成；但一旦降低流量、追求高單程轉化效率，乙烯選擇性會迅速下降，氫析出反應開始主導體系。反應–擴散模型（圖2e）進一步揭示了問題根源：在高 SPCE 條件下，CO 在電極表面的局部濃度急劇下降，CO 傳質而非反應動力學，成為決定性能的關鍵瓶頸。即便通過加壓提升整體氣體濃度（圖2f），CO 與 H? 在界面處的競爭關系也并未發生根本改變。這表明，單純從操作條件入手，難以解決合成氣電合成乙烯的核心矛盾。

圖2：合成氣條件下流量、壓力和局部 CO 濃度對乙烯生成的影響及傳質限制分析

“CO 穿梭”機制：不僅要抓住 CO，還要喂給銅

為緩解 CO 傳質受限的問題，研究人員首先嘗試在銅電極中引入不同類型的碳材料。圖3b顯示，相比裸銅，碳修飾電極的乙烯選擇性普遍提升，說明碳材料確實能夠在局部富集 CO。然而，原位拉曼結果（圖3c）表明，在高電流密度下，普通碳材料會削弱 CO 在銅表面的吸附強度，反而不利于乙烯生成。這一現象促使研究者進一步引入羧基功能化碳材料。DFT 計算與實驗結果一致表明，–COOH 不僅顯著增強碳材料自身對 CO 的吸附能力，還能同步強化 CO 在銅活性位點上的結合能。換言之，這種材料既能在合成氣中“抓住 CO”，又能將其有效“輸送”至銅表面完成反應，真正實現了 CO 的定向穿梭。

圖3：羧基功能化碳材料實現 CO 捕獲與強化吸附的“CO 穿梭”機理

性能驗證：合成氣直轉乙烯首次站穩腳跟

在圖4中，Cu/C–COOH 電極在真實高 SPCE 條件下展現出穩定而突出的性能表現。在 H?/CO = 1/1 和 2/1 的合成氣中，該體系均能同時維持較高的乙烯法拉第效率和單程轉化效率。其中，在 H?/CO = 2/1 條件下，乙烯 FE 達到 72%，CO SPCE 達到 73%，這是此前合成氣體系中極為罕見的性能組合。更重要的是，該體系在 200 mA cm?2 下連續穩定運行超過 100 小時，電池電壓和產物分布幾乎無衰減。同時，能耗分析表明，相比傳統銅電極，乙烯生產能耗降低約 24%，已接近甚至優于部分純 CO 體系，顯示出良好的工程潛力。

圖4：Cu/C–COOH 電極在合成氣條件下的性能、能耗及長期穩定性驗證

小結

這項研究通過引入“CO穿梭介質”的概念，巧妙解決了合成氣電還原中長期存在的CO稀釋與傳質難題，使不分離合成氣、直接制乙烯首次在性能和能耗上同時具備競爭力。其核心思想并不局限于乙烯合成，也為處理其他低濃度、混合氣體原料的電化學轉化提供了通用思路。未來，隨著合成氣綠色制備技術的成熟，這種直接耦合的電合成路徑有望在化工減碳、廢塑料資源化利用等場景中發揮重要作用，推動乙烯生產真正邁向低碳化、規模化。