化學(xué)品和燃料的電化學(xué)合成具有使用可再生電能、反應(yīng)條件溫和、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，在化工行業(yè)脫碳方面發(fā)揮著重要作用。雖然單個(gè)電化學(xué)反應(yīng)取得了顯著的成就，電解槽與下游反應(yīng)器的耦合也應(yīng)引起人們的重視，因?yàn)閱蝹€(gè)反應(yīng)器不能夠完成更復(fù)雜的化學(xué)制造。

目前的耦合反應(yīng)主要集中在多個(gè)反應(yīng)器的組裝策略上，即通過將電化學(xué)合成的物種輸送到后續(xù)反應(yīng)器，但這些反應(yīng)器尚未利用電解的獨(dú)特性質(zhì)：電極/電解質(zhì)界面處生成的高濃度產(chǎn)物/中間體物種。

與傳統(tǒng)的耦合系統(tǒng)不同，萊斯大學(xué)汪淏田課題組展示了一種界面電化學(xué)-化學(xué)反應(yīng)耦合設(shè)計(jì)，以充分利用電化學(xué)中的界面高產(chǎn)物濃度來促進(jìn)連續(xù)的化學(xué)反應(yīng)。

具體而言，以烯烴環(huán)氧化反應(yīng)為模型，研究人員將氧還原反應(yīng)(ORR)生成過氧化氫(H₂O₂)和隨后的乙烯(C₂H₄)環(huán)氧化生成乙二醇(EG)集成到一個(gè)固體電解質(zhì)(SE)反應(yīng)器中。SE電解槽的主室(中間層)填充了SE和TS-1顆粒的混合物，并分別用陰離子交換膜(AEM)和陽離子交換膜(CEM)將陰極和陽極分離。

首先，陰極(炭黑)上發(fā)生ORR反應(yīng)選擇性地產(chǎn)生隨后通過AEM運(yùn)輸?shù)街虚g層的HO₂^?物種；隨后HO₂^?與從陽極室通過CEM和SE粒子(質(zhì)子導(dǎo)體)運(yùn)輸?shù)馁|(zhì)子結(jié)合形成H₂O₂，因此在電解過程中，AEM/SE界面具有最高的H₂O₂濃度。同時(shí)，通過在ORR電解過程中將乙烯和水共同加入中間室，乙烯可以被界面H₂O₂有效地氧化以產(chǎn)生環(huán)氧乙烷(EO)，然后在SE表面上水解形成EG作為最終產(chǎn)物。

為了大致了解所構(gòu)建的SE反應(yīng)器中的界面H₂O₂濃度與下游輸出濃度(平均體積濃度)的差異，研究人員構(gòu)建了一個(gè)二維(2D) COMSOL模型來繪制催化劑表面附近的H₂O₂濃度分布。結(jié)果表明，H₂O₂濃度在左邊界處最高，并且在25 mA cm^?2電流密度下，H₂O₂濃度達(dá)到2.06 wt%以上，而通道中的平均濃度約為0.081 wt%，這導(dǎo)致界面濃度比通道中的平均濃度高25倍以上。

這個(gè)模擬結(jié)果表明，如果能夠?qū)⒑罄m(xù)的環(huán)氧化反應(yīng)限制在催化劑/電解質(zhì)的界面上，那么偶聯(lián)反應(yīng)的整體效率可以大大提高。因此，在不使用任何液體電解質(zhì)的情況下，該反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)行200 h，EG選擇性達(dá)到99.7%，H₂O₂利用率達(dá)到93%；在電流密度為25 mA cm^?2下，EG產(chǎn)率為583 μmol h^?1，H₂O₂利用率為96%。

更重要的是，該集成裝置不僅適用于烯烴環(huán)氧化反應(yīng)，而且可以作為一個(gè)有效的框架來強(qiáng)化其他電化學(xué)反應(yīng)與反應(yīng)物濃度敏感的化學(xué)反應(yīng)，避免了電化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)之間通常需要的能量密集型分離或濃縮步驟。

Interfacial Electrochemical-chemical Reaction Coupling for Efficient Olefin Oxidation to Glycols. Joule, 2023. DOI: 10.1016/j.joule.2023.06.022