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12
2026
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05
Nature子刊！应变梯度CuO-Ag界面实现乙烯持续直接电环氧化！
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使用水作为氧源的直接电化学乙烯环氧化为传统热工艺提供了一种可持续替代方案，但其实际应用受限于乙烯吸附不足以及关键OO*中间体的固有稳定性差。
2026年05月11日，中国石油大学（华东）李忠涛、任浩团队在Nature Communications期刊发表题为“Sustained Direct Electro-epoxidation of Ethylene via a Strain-Gradient CuO-Ag Interface”的研究论文，团队成员于溪凤、赵勇为论文共同第一作者，李忠涛、清华大学林艳、任浩为论文共同通讯作者。
该研究表明，一种兼具耦合应变与电子特性的工程化CuO/Ag催化剂，能够促进亚稳态Ag(111)晶面的暴露以增强乙烯吸附，并建立一个双反应物限域体系，在各自的界面域富集H₂O和C₂H₄。表征与模拟揭示，界面处的动态电荷振荡驱动电子从Ag流向CuO，这有助于活化C=C键，并通过抑制O-O键断裂来稳定OO*中间体。在膜电极组件反应器中，于50mA·cm⁻²电流密度下稳定运行60小时，实现了345μmol·cm⁻²·h⁻¹的环氧乙烷产率，法拉第效率为45.6%，选择性为92.8%。该研究验证了界面应变与电子特性作为一种可行的可持续电合成策略，乙烯连续直接环氧化便是例证。
环氧乙烷（EO）被广泛认为是乙二醇、环氧树脂和表面活性剂大规模制造中的关键化学中间体。由于全球年需求量超过3000万吨且持续稳定增长，传统热催化EO合成以其依赖高温高压条件下的化学氧化剂为特征，导致大量能源消耗和碳排放。相比之下，由可再生电力驱动的电催化乙烯环氧化已被认为是一种可持续、*且可控性高的替代方案，其碳足迹本质上很低。当前的电化学路径主要分为卤素介导、过氧化氢介导间接以及直接水介导环氧化。尽管卤素和过氧化氢策略能实现高法拉第效率（FE）和电流密度，但这些方法受限于腐蚀性介质、高成本和有限能量效率等挑战。直接路线中，活性氧物种（ROS）通过水电解原位生成，由于其避免了外部氧化剂和苛刻条件，被认为更具前景。
然而，直接电化学环氧化的效率受到若干固有动力学限制的制约。弱乙烯吸附和低ROS利用率，加上析氧反应（OER）的强烈竞争，通常导致低FE（<40%）和有限的选择性。核心科学挑战已被确定为乙烯活化与氧中间体稳定化之间的动力学失衡。在直接电环氧化过程中，ROS通过水氧化生成，其中OO*中间体被认为对选择性环氧化至关重要。然而，OO*的表面浓度仍然不足，且其本征不稳定性导致快速分解或进一步氧化形成OER。乙烯吸附弱和表面覆盖度低使这一问题更加复杂，限制了C₂H₄与OO*之间有效碰撞的概率，从而更倾向于C-C键断裂和过度氧化为CO₂，而非所需的环氧化物。因此，在平衡OO*表面覆盖度与乙烯之间关系的同时，促进OO*中间体的形成，是一个尚未解决的主要挑战。
银基催化剂长期以来被认为在氧介导的环氧化中具有功效，这归因于其*d带中心，有助于乙烯π键吸附而不发生C-H键断裂。然而，在水系电化学环境中，原始Ag表面表现出明显的局限性。Ag很难稳定OO*等氧中间体，而增强氧物种形成的策略通常需要增加表面电子密度，这反而会削弱乙烯吸附。这种电子权衡，加上缺乏用于反应物共限域的定制界面环境，使得同时实现高活性和高选择性具有挑战性。为了解决这些限制，界面工程被认为是一种有前景的方法。构建金属/金属氧化物界面已被确立为调控电子结构和引导反应路径的有效方法。在过渡金属氧化物中，CuO因其高氧亲和力、可调的电子特性，特别是其对OER的固有惰性（这自然抑制了竞争性副反应）脱颖而出。
在此，该研究设计并合成了一种CuO-Ag复合催化剂，以创建多功能界面，同步解决反应物吸附和中间体稳定化的挑战（图1）。通过将CuO与Ag结合，生成了一个应变梯度界面，诱导亚稳态Ag(111)晶面的暴露以增强乙烯吸附，同时建立不同的H₂O和C₂H₄共吸附域。结合原位光谱表征和理论分析，该研究证明了该界面处的动态电荷振荡驱动电子从Ag流向CuO。这种电子转移被揭示为关键，有助于活化C=C键，同时通过抑制O-O键断裂来关键性地稳定OO*中间体。在膜电极组件（MEA）反应器中评估时，实现了连续乙烯直接环氧化，在50mA·cm⁻²电流密度下稳定运行60小时，EO产率为345μmol·cm⁻²·h⁻¹，同时法拉第效率为45.6%，选择性为92.8%。
总之，该研究开发了一种具有耦合应变与电子特性的CuO/Ag电催化剂，可显著增强乙烯直接电环氧化为EO的过程。该研究构建了一个协同界面，不仅促进了关键OO*中间体的形成与稳定，还通过应变诱导的亚稳态Ag(111)晶面暴露增强了乙烯吸附。结合原位光谱分析和理论计算表明，从Ag到CuO的电子转移由动态电荷振荡驱动，促进C=C键活化的同时抑制了OO*物种中的O-O键断裂。此外，该研究在CuO和Ag的不同界面域之间建立了一个双反应物限域体系，优化了H₂O和C₂H₄的共吸附并加速了局部传质。当在膜电极组件反应器中实施时，于50mA·cm⁻²电流密度下稳定运行60小时，实现了345μmol·cm⁻²·h⁻¹的EO产率，法拉第效率为45.6%，选择性为92.8%。该研究阐明了异质界面处耦合应变与电子工程在平衡中间体稳定化和反应物吸附方面的关键作用，为可持续氧化反应中设计选择性电催化剂提供了概念上的进展。该研究阐述了界面应变-电子耦合如何平衡中间体稳定性与反应物吸附，为电催化合成提供了一种普适且颇具前景的策略。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/sP347oideQsrq1gfA2IBxQ
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