第一作者：Chongyang Tang, Cong Wei, Yanyan Fang

通訊作者：肖湘衡，王功名，段鑲鋒

通訊單位：武漢大學，中國科學技術大學，加州大學洛杉磯分校

論文速覽：

本研究聚焦于電化學乙腈加氫制備乙胺，旨在解決傳統(tǒng)熱催化過程中高溫度和壓力帶來的安全和經(jīng)濟成本問題。基于質(zhì)子交換膜電解器，開發(fā)了一種乙腈電化學加氫的新方法，用于實際生產(chǎn)乙胺。

研究發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子交換膜的局部酸性條件會導致競爭性的析氫反應和對乙腈加氫的低選擇性。通過系統(tǒng)研究篩選各種金屬催化劑，發(fā)現(xiàn)Pd/C催化劑在電流密度為200 mA cm^?2時，乙胺的法拉第效率達到43.8%，具有2912.5 mmol g^?1 h^?1的高產(chǎn)率，比其他篩選的金屬催化劑高出一個數(shù)量級。

通過原位光譜表征和密度泛函理論（DFT）計算，研究揭示了Pd催化劑在催化反應中形成的PdHx是活性中心，并且中間體*MeCH₂NH₂的吸附強度決定了催化選擇性。此外，理論分析表明，催化劑的電子結(jié)構(gòu)與其活性之間存在經(jīng)典的d帶中心介導的火山曲線關系，這為設計更有效的電化學加氫催化劑提供了寶貴的見解。

圖文導讀：

圖1：展示了乙胺合成的示意圖，包括乙腈在酸性條件下電催化加氫的示意圖，其中析氫反應是競爭反應。

圖2：展示了酸性電解液中乙腈還原性能，包括不同金屬催化劑上乙胺的最高法拉第效率和相應的氫氣法拉第效率，以及在不同施加電勢下的乙胺、二乙胺、三乙胺的法拉第效率和相應的總電流密度、乙胺和氫氣的偏電流密度。

圖3：展示了Pd催化劑反應中間體的原位光譜表征，包括原位SR-FTIR和拉曼光譜電解池的示意圖，以及不同電勢下的原位SR-FTIR光譜和電化學拉曼光譜。

圖4：展示了Pd催化劑在電催化乙腈加氫反應過程中的原位X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)（XANES）光譜測量結(jié)果。

圖5：展示了乙腈加氫反應的理論計算分析，包括在不同金屬表面上吸附物的結(jié)合能，以及在不同*H覆蓋率下HER和HAN活性的影響。

總結(jié)展望：

本研究成功開發(fā)了一種在酸性條件下通過乙腈電催化加氫制備乙胺的新方法。通過篩選不同的金屬催化劑，Pd/C顯示出最高的乙胺法拉第效率和產(chǎn)率，這為工業(yè)生產(chǎn)乙胺提供了一種高效、節(jié)能的途徑。

此外，通過原位光譜表征和理論計算，研究揭示了催化劑電子結(jié)構(gòu)與活性之間的關系，為設計新型高效催化劑提供了理論指導。

這些發(fā)現(xiàn)不僅對電化學加氫反應的研究具有重要意義，也為其他相關領域的催化劑設計提供了寶貴的參考。

文獻信息：

標題：Electrocatalytic hydrogenation of acetonitrile to ethylamine in acid

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-47622-9