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Sustainable synthesis of polymer-grade ethylene via electrified acetylene semihydrogenation

乙炔 选择性 催化作用 乙烯 材料科学 聚合物 化学工程 分散性 纳米技术 化学 有机化学 高分子化学 工程类
作者
Zihao Yan,Libang Xu,Huiyuan Zhu
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:122 (28): e2505151122-e2505151122
标识
DOI:10.1073/pnas.2505151122
摘要

The electrocatalytic semihydrogenation of acetylene (C 2 H 2 ), powered by renewable electricity, provides an energy- and cost-efficient alternative to conventional thermocatalytic methods for purifying crude ethylene (C 2 H 4 ) streams. This approach provides a more sustainable route to polymer-grade C 2 H 4 by reducing greenhouse gas emissions, yet its commercial potential remains limited by the scarcity of high-performance catalysts and the absence of comprehensive techno-economic analyses for large-scale implementation. In this study, we conduct an extensive screening and evaluation of monodisperse metal nanoparticle (NP) catalysts (Cu, Ag, Au, Pd, Bi) with tunable particle sizes and morphologies for the electrocatalytic semihydrogenation of C 2 H 2 in flow reactors. Among these candidates, 45 nm Cu nanocubes and 8 nm Ag NPs exhibited the highest performance. In a simulated crude ethylene stream (C 2 H 2 : C 2 H 4 = 1:80), Cu nanocubes achieved 99.7% C 2 H 2 removal at room temperature with a specific selectivity of 86.7% for C 2 H 4 and maintained stability for 120 h. Meanwhile, 8 nm Ag NPs exhibited a high specific selectivity of 98.9%, with 96.7% conversion and 24-h stability under the same conditions. A detailed techno-economic analysis confirms the feasibility of electrocatalytic systems for industrial-scale crude ethylene treatment, with an optimal conversion cost of $0.74 per kg of C 2 H 2 , compared to $1.34 per kg for the optimized thermocatalytic system. Furthermore, our life cycle assessment highlights the environmental benefits of the electrocatalytic pathway with a carbon emission reduction of over 50%. Our electrified, efficient C 2 H 2 semihydrogenation in C 2 H 4 crude streams minimizes environmental impact and optimizes resource use, contributing to a more sustainable future.
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