Mechanism of Chlorine-Mediated Electrochemical Ethylene Oxidation in Saline Water

化学 电解质 催化作用 无机化学 电化学 乙二醇 表面改性 环氧乙烷 离子液体 乙烯 有机化学 电极 共聚物 物理化学 聚合物
作者
Minju Chung,Kyoungsuk Jin,Joy S. Zeng,Karthish Manthiram
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:10 (23): 14015-14023 被引量:100
标识
DOI:10.1021/acscatal.0c02810
摘要

Chlorine as a redox mediator allows for the selective oxidation of ethylene to 2-chloroethanol, which converts to ethylene oxide in alkaline aqueous electrolyte. This strategy utilizes abundant saline water as an electrolyte and source of oxygen atoms for functionalization. We present a mechanistic study of ethylene oxidation in saline water using cobalt oxide nanoparticle catalysts. Electrochemical kinetic analysis and in situ X-ray absorption spectroscopy suggest that the resting state of the catalyst and the rate-determining step differ for the chlorine evolution reaction in the presence and absence of ethylene. In 0.6 M NaCl pH 8 electrolyte, which resembles seawater, the average current density was ∼60 mA/cm² with a Faradaic efficiency of ∼41% toward ethylene functionalization. The use of synthetic and natural seawater achieved Faradaic efficiencies above 70%, while the partial current toward the product remained invariant. Further conversion of the initial product 2-chloroethanol into ethylene glycol was also demonstrated. We present a broader vision of harnessing saline water in electrochemical functionalization of organic molecules and coproduction of hydrogen.
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