一种电化学方法可减少合成环氧乙烷的CO2足迹

一种新的制造环氧乙烷的电化学工艺可以帮助减少这种重要的商业化学品的碳足迹。该策略是通过开发以可再生电力为基础的替代合成路线，旨在实现化学工业的绿色发展。

化工行业每年生产约2000万吨的环氧乙烷，用于塑料、清洁剂和溶剂。它是在200-300°C的温度和最高3 MPa的压力下使用银催化剂结合氧气和乙烯来生产。该反应产生的温室气体CO2几乎与环氧乙烷相同。其中一半以上的二氧化碳来自乙烯的过度氧化，其余的二氧化碳则是通过化石燃料的燃烧排放出来的。

电化学方法可以抑制这些排放，但是它面临两个重大挑战。首先，乙烯难溶于水，而水是电化学电池内部首选的电解质溶剂。低溶解度会阻碍乙烯与电池阳极的相互作用，并降低氧化过程的效率。提高电池的功率可能会提高环氧乙烷的生产速度，但同时也带来了第二个挑战：它会过度氧化乙烯，产生多余的CO2。

多伦多大学的Edward H.Sargent团队现在通过使用电解质中的氯离子作为载体在电池的阳极和乙烯之间传递电荷来改善它们之间的相互作用，解决了这一难题。领导这项研究的团队成员Wan Ru Leow说：“这是一种氧化还原介体。”

当电流流过电化学电池的阳极时，它将氯离子转换为氯气（Cl2），形成次氯酸（HOCl）和盐酸（HCl）。次氯酸与乙烯反应形成乙烯氯醇（也称为1-氯-2-羟基乙烷）。同时，阴极将水分解以释放氢氧根阴离子和氢气，它们可以作为附加产品捕获。该小组的电池内有一层隔离其催化电极的膜，可防止电池两面的溶液混合。

发生阳极和阴极反应后，研究人员将两种溶液从电池中移出并合并，使乙烯氯醇与氢氧化物反应生成环氧乙烷。 Leow说，在工业过程中，这些操作可能会在连续生产环境中进行，以进一步提高效率。

总体而言，提供给电池的电流约有70％用于制造该产品（相当高的效率），并且不会产生CO2排放。研究小组说，大约有97％发生反应的乙烯被转化为所需的环氧化物，原则上未反应的乙烯可以通过电解池再循环。该电池还以相似的效率将丙烯转化为环氧丙烷。

电合成在高达1 A / cm2的高电流密度下运行，这决定了一个电极可以生产多少产品。麻省理工学院的Karthish Manthiram说：“这是非常出色的。”他也正在开发用于制造环氧化物的电化学方法，但并未参与这项新工作。“它们已经达到了商业运营所需的各种电流密度。”

研究人员还对其工艺进行了技术经济分析，得出的结论是，在最佳条件下，该工艺可以生产环氧乙烷，其成本约为每吨1,500美元，与常规工艺相当。

去年，Sargent的团队推出了一种将CO2还原为乙烯的电化学方法。通过将该早期方法与新的电化学系统结合，该团队还证明了它可以将CO2持续转化为环氧乙烷。

在卡尔加里的一个试验工厂使用该团队将CO2转化为乙烯的工艺，已经可以每天生产100公斤的乙烯，Sargent说，可能可以修改该设备，以类似的规模测试新的环氧乙烷工艺。他补充说，在这些过程中，商业兴趣会越来越浓厚：“全球化学工业渴望看到如何使该行业脱碳。”