不用纯 CO，合成气也能高效制乙烯
乙烯是全球产量最大的基础化工原料之一，广泛用于塑料、橡胶和化工中间体的生产。传统乙烯制备高度依赖化石能源，不仅能耗高、碳排放大，也越来越难以适应低碳转型需求。电化学路径被认为是实现乙烯绿色制造的重要方向，其中“CO → 乙烯”的电还原反应因碳效率高而备受关注。然而现实应用中，大多数高性能体系严重依赖高纯一氧化碳，而纯CO来源受限、价格高昂，成为规模化应用的最大障碍。相比之下，合成气作为工业上最主要的CO来源，年产量是纯CO的数百倍，但其中混杂大量氢气（H₂）。氢气的存在会稀释CO浓度、加剧副反应，导致乙烯选择性和单程转化效率难以兼得。如何在不分离合成气组分的前提下，实现高效、低成本的乙烯电合成，一直是该领域的核心难题。
今日，加拿大多伦多大学David Sinton院士、缪睿凯博士联合新西兰奥克兰大学王子运博士共同提出了一种全新的“CO穿梭（CO-shuttling）”策略：通过在铜电极中引入羧基（–COOH）功能化碳材料，选择性捕获合成气中的CO，并在催化界面强化CO吸附，从而在CO被氢气严重稀释的条件下，仍能维持高乙烯选择性和高单程转化效率。该体系在 H₂/CO = 2/1 的合成气条件下，实现了 72% 的乙烯法拉第效率（FE）和 73% 的CO单程转化效率（SPCE），整体性能甚至超越了部分使用纯CO进料的体系，为合成气直接制乙烯提供了一条更具工业可行性的路径。相关成果以“Electrosynthesis of ethylene from syngas”为题发表在《Nature Sustainability》上，Feng Li, Zunmin Guo, Yu Yan, Qiyou Wang为共同第一作者。
为什么必须“跳过纯 CO”，直接用合成气？
从图1a可以看到，现有乙烯电合成体系中，乙烯法拉第效率与单程转化效率往往难以同时达到较高水平，尤其是在追求高转化率时，体系性能会迅速下滑。这一矛盾在使用合成气作为进料时尤为突出，因为合成气中不可避免地含有大量氢气。图1b则从产业视角给出了更直观的答案：无论是塑料热解、反应捕集，还是固体氧化物电解（SOEC），工业端更倾向直接得到合成气而非纯 CO。如果电合成乙烯仍然强依赖纯 CO，不仅增加了前端分离成本，也削弱了整条路线的低碳和经济优势。因此，“能否直接利用合成气”，成为乙烯电合成能否走向产业化的分水岭。
图1：不同电解体系中乙烯法拉第效率与单程转化效率对比，以及合成气制乙烯的整体技术路线
真正卡住合成气电合成的，不是反应，而是传质
在图2中，研究团队系统考察了不同 H₂/CO 比例、气体流量和操作压力对反应性能的影响。结果显示，在较高流量下，适量氢气反而有利于乙烯生成；但一旦降低流量、追求高单程转化效率，乙烯选择性会迅速下降，氢析出反应开始主导体系。反应–扩散模型（图2e）进一步揭示了问题根源：在高 SPCE 条件下，CO 在电极表面的局部浓度急剧下降，CO 传质而非反应动力学，成为决定性能的关键瓶颈。即便通过加压提升整体气体浓度（图2f），CO 与 H₂ 在界面处的竞争关系也并未发生根本改变。这表明，单纯从操作条件入手，难以解决合成气电合成乙烯的核心矛盾。
图2：合成气条件下流量、压力和局部 CO 浓度对乙烯生成的影响及传质限制分析
“CO 穿梭”机制：不仅要抓住 CO，还要喂给铜
为缓解 CO 传质受限的问题，研究人员首先尝试在铜电极中引入不同类型的碳材料。图3b显示，相比裸铜，碳修饰电极的乙烯选择性普遍提升，说明碳材料确实能够在局部富集 CO。然而，原位拉曼结果（图3c）表明，在高电流密度下，普通碳材料会削弱 CO 在铜表面的吸附强度，反而不利于乙烯生成。这一现象促使研究者进一步引入羧基功能化碳材料。DFT 计算与实验结果一致表明，–COOH 不仅显著增强碳材料自身对 CO 的吸附能力，还能同步强化 CO 在铜活性位点上的结合能。换言之，这种材料既能在合成气中“抓住 CO”，又能将其有效“输送”至铜表面完成反应，真正实现了 CO 的定向穿梭。
图3：羧基功能化碳材料实现 CO 捕获与强化吸附的“CO 穿梭”机理
性能验证：合成气直转乙烯首次站稳脚跟
在图4中，Cu/C–COOH 电极在真实高 SPCE 条件下展现出稳定而突出的性能表现。在 H₂/CO = 1/1 和 2/1 的合成气中，该体系均能同时维持较高的乙烯法拉第效率和单程转化效率。其中，在 H₂/CO = 2/1 条件下，乙烯 FE 达到 72%，CO SPCE 达到 73%，这是此前合成气体系中极为罕见的性能组合。更重要的是，该体系在 200 mA cm⁻² 下连续稳定运行超过 100 小时，电池电压和产物分布几乎无衰减。同时，能耗分析表明，相比传统铜电极，乙烯生产能耗降低约 24%，已接近甚至优于部分纯 CO 体系，显示出良好的工程潜力。
图4：Cu/C–COOH 电极在合成气条件下的性能、能耗及长期稳定性验证
小结
这项研究通过引入“CO穿梭介质”的概念，巧妙解决了合成气电还原中长期存在的CO稀释与传质难题，使不分离合成气、直接制乙烯首次在性能和能耗上同时具备竞争力。其核心思想并不局限于乙烯合成，也为处理其他低浓度、混合气体原料的电化学转化提供了通用思路。未来，随着合成气绿色制备技术的成熟，这种直接耦合的电合成路径有望在化工减碳、废塑料资源化利用等场景中发挥重要作用，推动乙烯生产真正迈向低碳化、规模化。
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