重磅!复旦大学,今日Science!

研发家 | 2026-10-03 0

由丙烯腈加氢二聚实现己二腈电合成,对尼龙工业至关重要。然而,丙烯腈单电子还原这一关键步骤,通常需要使用有毒重金属电极,且能量效率偏低。
在此,复旦大学龚鸣青年研究员,美国加州大学圣地亚哥分校熊伟教授,华东理工大学练成教授和张新胜教授等人提出一种动态多模式阳离子 - 电极相互作用策略,可在环境友好型碳电极上实现己二腈高效合成。最优苄基三己基铵阳离子,借助阳离子苄基基团与碳电极之间的多模式非共价相互作用压缩双电层,从而在水系电解液中构建贫水界面。从小试到159 cm2电解槽的实验均证实,该策略所得反应选择性可与传统铅基体系相当,同时过电位大幅降低。本研究表明,在高导电性水系体系中,调控以阳离子为核心的微环境,对发展可持续的工业化有机电合成具有重要意义。

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研究内容
己二腈(ADN)是生产尼龙 6,6 的核心有机化工原料,尼龙6,6是一种重要高分子材料,广泛应用于汽车行业、工程塑料以及纺织领域。己二腈还涌现出新的应用场景,可用于制备六亚甲基二异氰酸酯,高性能聚氨酯的关键原料,同时也可用作锂离子电池电解液添加剂。据此,己二腈全球市场规模超100亿美元,预计复合年增长率可达8.2%。己二腈的传统生产工艺多采用丁二烯氢氰化法,该工艺需要使用剧毒的氰化氢(HCN)。日趋严苛的环保法规,使得氰化氢的安全、可持续应用面临更大挑战。丙烯腈(AN)电化学加氢二聚是一条替代性合成路线,该技术自20世纪50‑60年代被发现以来,一直是己二腈生产的可行方案,也是有机电合成领域规模最大的应用之一。己二腈电合成的反应过程为,阴极发生丙烯腈加氢二聚,阳极同步发生水的氧化反应。丙烯腈首先得到一个电子,生成丙烯腈阴离子自由基。该自由基再与另一分子丙烯腈发生偶联,得到己二腈。与此同时,丙烯腈阴离子自由基会被水淬灭并进一步还原,生成主要副产物丙腈(PN)。此外,多个丙烯腈分子发生缩合,还会生成三聚体、低聚物等其他副产物。
生成丙烯腈阴离子自由基这一步需要较高过电位,这就不可避免地会加剧竞争析氢反应(HER)。因此,实际生产中必须使用铅、镉这类析氢过电位极高的电极材料,但这类重金属电极存在突出的环境隐患。即便工厂已经具备成熟的重金属封存工艺,运行过程中仍会发生金属向电解液溶出,产生危险废水,后续处理成本高昂。同时这类电极本身的惰性会带来较大过电位,造成能量效率低下。碳基电极是很有潜力的备选材料,它具备成本低廉、环境友好、导电性优异等优势。但碳基电极会发生析氢副反应与丙烯腈加氢副反应,因此通常并不被看好。若要在碳基电极上实现高效己二腈电合成、提升反应选择性,就必须对电极近界面处的界面结构进行精准调控。

作者提出动态多模式阳离子‑碳相互作用策略,调控电极‑电解液界面,实现碳电极上己二腈(ADN)高效电合成。传统体系中季铵盐可在双电层富集丙烯腈底物,但碳电极受烷基链长影响呈现火山型选择性规律,整体选择性弱于铅电极,且高过电位、大电流密度下选择性显著衰减,难以适配工业条件,仅具备过电位更低的优势。将季铵盐单条烷基链替换为苄基可大幅提升己二腈选择性,选择性峰值向长烷基链偏移,优于四丁基铵,该效果适用于多种高石墨化碳电极。烷基碳数≥8或替换为萘甲基时性能下降,证明适配的阳离子‑碳相互作用至关重要,还可进一步降低过电位,低电位下即可获得更高己二腈收率,高过电位与大电流密度仍可维持高选择性。同时苄基改性显著提升法拉第效率,‑1.03 V下最优法拉第效率达 72.9%,优于同条件铅基体系,碳与铅电极峰值产物电流密度接近,传质特性相当。尤为关键的是,在高底物转化率下,反应全程可稳定保持高选择性与法拉第效率,克服传统铅体系随丙烯腈消耗性能骤降的缺陷,展现出突出的工业化应用潜力。

结论展望
综上所述,丙烯腈电化学加氢二聚为制备尼龙6,6关键前驱体己二腈提供了更为绿色的合成路线。本文开发了一种碳基电合成策略,利用苄基取代季铵阳离子对电极‑电解液界面进行调控。研究发现,苄基与碳之间存在多种非共价相互作用,可在电极附近富集丙烯腈,促进自由基偶联并抑制副反应。即便在放大电解槽中,该体系仍可实现与铅电极相当的产物选择性,同时过电位大幅降低。
文献信息
Wei Du, Chun-Chieh Yu, Jipeng Xu, Rusheng Wang, Yuancheng Jing, Chenglai Wang, Shuangshuang Cha, Tianyu Sheng, Mengxin Qu, Jianyu Ren, Ran Wang, Zhongqiang Deng, Junze Wang, Chang Yan, Xinsheng Zhang, Cheng Lian, Honglai Liu, Wei Xiong, and Ming Gong, Dynamic multimodal cation-carbon interaction for efficient adiponitrile electrosynthesis,Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.aef5175
 

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